[논문 리뷰] ALMA observations of the nearby AGB star L$_{ m 2}$ Puppis. II. Gas disk properties derived from $^{ m 12}$CO and $^{ m13}$CO $J=$3$-$2 emission

W. Homan, A. M. S. Richards외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 14.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 73인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 근접한 AGB 별 L2 Puppis 주위의 가스 디스크의 3차원 비- LTE 복사전달을 모델링하기 위해 ALMA를 이용한 고해상도 12CO 및 13CO J=3-2 관측을 사용한다. 이는 경사진, 비균일한 회전을 보이는 디스크로, 반경 방향 H2 밀도 프로파일이 -3.1의 기울기를 가지며, 12CO/13CO 농도 비율이 10이고 디스크 질량이 약 ~2×10⁻⁴ M☉임을 드러낸다. 유도된 운동량은 별의 운동량을 훨씬 초월하여, 약 1 Jupiter 질량의 연성체가 디스크 형성과 역학의 원천임을 강력히 지지한다.

ABSTRACT

The circumstellar environment of the AGB star L$_{ m 2}$ Puppis was observed with ALMA in cycle 3, with a resolution of $15 imes 18 m\ mas$. The molecular emission shows a differentially rotating disk, inclined to a nearly edge-on position. In the first paper in this series (paper I) the molecular emission was analysed to accurately deduce the motion of the gas in the equatorial regions of the disk. In this work we model the optically thick $^{ m 12}$CO $J=$3$-$2 and the optically thin $^{ m 13}$CO $J=$3$-$2 rotational transition to constrain the physical conditions in the disk. To realise this effort we make use of the 3D NLTE radiative transfer code { t LIME}. The temperature structure and velocity structure show a high degree of complexity, both radially and vertically. The radial H$_{ m 2}$ density profile in the disk plane is characterised by a power law with a slope of $-3.1$. We find a $^{ m 12}$CO over $^{ m 13}$CO abundance ratio of 10 inside the disk. Finally, estimations of the angular momentum in the disk surpass the expected available angular momentum of the star, strongly supporting the indirect detection of a compact binary companion reported in paper I. We estimate the mass of the companion to be around 1 Jupiter mass.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ALMA 데이터를 이용해 AGB 별 L2 Puppis 주위의 원형가스디스크의 물리적 구조를 제약하기.
• 12CO 및 13CO J=3-2 복사의 3차원 비- LTE 복사전달을 모델링하여 온도, 밀도, 속도, 농도 프로파일을 유도하기.
• 디스크의 기원과 역학, 특히 가상의 이중성 연성체가 운동량 이행과 디스크 형성에 미치는 역할을 조사하기.
• 12CO와 13CO의 분자 농도 비율을 결정하고, 디스크의 질량과 진화 상태를 평가하기.
• 관측된 디스크 운동량이 별의 내재된 운동량으로 설명 가능한지 테스트하기.

제안 방법

• 관측된 12CO 및 13CO J=3-2 복사의 시뮬레이션을 위해 LIME 코드를 사용한 3차원 비- LTE 복사전달 모델링.
• ALMA 볼류미티 데이터의 데이터 감소 및 후처리에 CASA 도구 사용.
• 두께가 얇고 수직으로 등온이며, 자기중력 작용이 없는 디스크를 가정하며, 거시적 힘에 의해 평형을 이루고 있고, 거시적 힘에 따라 변화하는 반경 방향 밀도 프로파일을 가짐.
• 관측된 채널 맵을 역으로 역행하여 3차원 속도장, 온도 구조, 밀도 분포를 유도함.
• 내부 디스크, 외부 디스크, 냉각 외곽 가장자리의 서로 다른 영역을 가진 조각별 함수를 사용하여 반경 방향 및 수직 온도 프로파일을 피팅함.
• 유도된 H2 밀도 및 속도 구조를 통합하여 디스크 질량과 운동량 추정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L2 Puppis 주위의 가스 디스크에서 3차원 온도 및 밀도 구조는 어떻게 되며, 반경 및 수직 방향으로 어떻게 변화하는가?
• RQ2 가스의 반경 속도 프로파일은 어떻게 되며, 특히 외곽 디스크에서 케플러 운동 또는 케플러 이하 운동을 보이는가?
• RQ3 디스크 내 12CO 대 13CO의 농도 비율은 얼마이며, 이는 가스 기원에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 관측된 디스크의 운동량은 중심 별의 내재된 운동량과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 디스크 구조와 역학은 단일 별로 설명될 수 있는가, 아니면 이중성 연성체가 필요한가?

주요 결과

• 디스크 평면에서의 반경 방향 H2 밀도 프로파일은 기울기가 -3.1인 거듭제곱 법칙을 따르며, 강한 반경 방향 집중을 나타낸다.
• 12CO 대 13CO의 농도 비율은 10이며, 다른 산소가 풍부한 AGB 별들에서 관측된 값과 일치하여, 가스가 별 자체에서 기인했음을 시사한다.
• 디스크 질량은 약 2×10⁻⁴ M☉로 추정되며, 제약된 밀도 구조에서 도출되었다.
• 디스크의 운동량은 별의 내재된 운동량을 30배 이상 초월하여, 외부의 운동량 원천이 있음을 시사한다.
• 관측된 운동량을 설명하기 위해 약 1 Jupiter 질량의 연성체가 필요하며, 이는 이전 논문에서 간접적으로 확인된 결과를 지지한다.
• 온도 구조는 내부 디스크에서 급격한 반경 감소(6 AU 내에서 1000 K에서 500 K로 감소)를 보이며, 이어서 평탄한 구간을 거쳐 외곽 가장자리(23 AU)에서 100 K 이하로 급격히 감소하며, 내부 디스크에서 강한 수직 분포가 나타난다.