[논문 리뷰] Direct mapping of the temperature and velocity gradients in discs. Imaging the vertical CO snow line around IM Lupi

C. Pinte, F. Ménard외 15명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 60인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 ALMA 관측을 통해 CO 이소토폴로이드를 이용해 원반의 온도 기울이와 속도 기울이를 모델에 의존하지 않고 직접 맵핑하는 방법을 제시한다. IM Lupi에 적용한 결과, 150–300 au 범위에서 약 1개의 기체 스케일 높이 부근에 수직 방향 CO 눈선이 존재하며, 고결 온도는 21±2 K로 확인되었고, 외곽 원반에서는 탈-케플러 운동이 관측되어 먼지 입자가 내부로 이동하는 데 기여할 수 있으며, 광화학적 증발 풍의 시작을 시사한다.

ABSTRACT

Accurate measurements of the physical structure of protoplanetary discs are critical inputs for planet formation models. These constraints are traditionally established via complex modelling of continuum and line observations. Instead, we present an empirical framework to locate the CO isotopologue emitting surfaces from high spectral and spatial resolution ALMA observations. We apply this framework to the disc surrounding IM Lupi, where we report the first direct, i.e. model independent, measurements of the radial and vertical gradients of temperature and velocity in a protoplanetary disc. The measured disc structure is consistent with an irradiated self-similar disc structure, where the temperature increases and the velocity decreases towards the disc surface. We also directly map the vertical CO snow line, which is located at about one gas scale height at radii between 150 and 300 au, with a CO freeze-out temperature of $21\pm2$ K. In the outer disc ($> 300$ au), where the gas surface density transitions from a power law to an exponential taper, the velocity rotation field becomes significantly sub-Keplerian, in agreement with the expected steeper pressure gradient. The sub-Keplerian velocities should result in a very efficient inward migration of large dust grains, explaining the lack of millimetre continuum emission outside of 300 au. The sub-Keplerian motions may also be the signature of the base of an externally irradiated photo-evaporative wind. In the same outer region, the measured CO temperature above the snow line decreases to $\approx$ 15 K because of the reduced gas density, which can result in a lower CO freeze-out temperature, photo-desorption, or deviations from local thermodynamic equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 원반의 CO 발광 층의 온도, 속도, 고도를 모델에 의존하지 않고 측정하기 위한 방법을 개발하는 것.
• 복잡한 복사전달 또는 화학 모델링에 의존하지 않고 원반의 수직적 열적 및 운동학적 구조를 직접 제약하는 것.
• ALMA 데이터의 경험적 제약 조건을 이용해 IM Lupi의 원반에서 CO 눈선의 위치를 특정하는 것.
• 탈-케플러 운동과 온도 기울이가 먼지 진화와 원반 구조에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 외부 조사와 밀도 효과가 저밀도 외곽 원반 영역에서 CO 고결과 발광에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 고스펙트럼 및 고공간 해상도 ALMA 관측을 통해 12CO, 13CO, C18O (2-1) 천이를 채널별로 발광 맵핑한다.
• 채널 맵의 기하학적 분석을 통해 비대칭성과 비드 필링 효과를 기반으로 CO 발광 층의 고도를 직접 측정한다.
• 국소 열역학적 평형을 가정하여, 광학 두꺼운 (12CO)과 광학 얇은 (13CO, C18O) 천이의 밝기 온도를 비교함으로써 온도를 결정한다.
• 채널 맵의 도플러 시프트에서 속도 구조를 추론하고, 케플러 운동에서의 이탈을 식별한다.
• 비드 분해 및 공간 필터링을 적용하여 특정 층의 발광을 분리하고 비드 스메어링 효과를 방지한다.
• MCFOST 모델 예측과 관측된 밝기 온도를 비교함으로써 온도 측정값을 검증한다. 이때 T_ex = T_kin을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IM Lupi의 원반에서 CO 눈선은 어디에 위치해 있으며, 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 원반의 수직 온도 기울이는 어떻게 되며, 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 외곽 원반에서 기체 속도는 탈-케플러적인가? 이는 먼지 역학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 기체 밀도와 외부 조사의 변화가 외곽 원반에서 CO 고결과 발광에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 복사전달 또는 화학 모델링에 의존하지 않고 ALMA 데이터에서 CO 발광 층을 직접 맵핑할 수 있는가?

주요 결과

• CO 눈선은 150–300 au 범위에서 중앙면으로부터 약 1개의 기체 스케일 높이 부근에 직접 맵핑되었으며, CO 고결 온도는 21±2 K로 확인되었다.
• 원반은 표면 쪽으로 반경에 따라 온도가 증가하고 속도가 감소하는 경향을 보이며, 외부 조사가 있는 자가유사 원반 모델과 일치한다.
• 외곽 원반 (>300 au)에서는 기체 속도가 유의미하게 탈-케플러적이며, 이는 큰 먼지 입자가 효율적으로 내부로 이동하는 데 기여할 수 있는 급격한 압력 기울기를 시사한다.
• 눈선 위의 측정된 CO 온도는 기체 밀도 감소로 인해 400 au에서 약 15 K로 감소하며, 이는 낮은 고결 온도, 광해리, 국소 열역학적 평형에서의 이탈 등으로 인한 것으로 보인다.
• 300 au를 초과해 밀리미터 파장 연속 방출이 관측되지 않는 것은 탈-케플러 기체 운동에 의해 유도된 강한 내부 먼지 이동과 일치한다.
• 탈-케플러 속도장은 외곽 원반에서 외부 조사에 의해 유도된 광화학적 증발 풍의 기저를 나타낼 수도 있다.