[논문 리뷰] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIX. Spiral Arms, a Tail, and Diffuse Structures Traced by CO around the GM Aur Disk

Jane Huang, Edwin A. Bergin외 29명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 174인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 GM Aur 원반 주변에서 고해상도 ALMA 관측을 통해 12CO J=2−1 복사수준을 분석하여, 대규모 비축대칭 기체 구조를 규명하였다. 이는 1200 au까지 확장된 굽은 나선형 팔, 1800 au 남서쪽으로 뻗은 꼬리, 그리고 최대 1900 au까지 퍼진 흐린 북쪽 구조를 포함하며, 축대칭적인 밀리미터 파장 연속 스펙트럼 고리와는 뚜렷한 대비를 이룬다. 이러한 특징들은 외부 환경이나 성간 물질의 지속적인 후행 유입을 시사하며, 고립된 축대칭 원반 진화 가정을 도전하고, GM Aur의 구조적 특징이 타우루스 성간분화역에서 관측된 다른 원반들(예: SU Aur, AB Aur)과 유사한 환경적 상호작용과 연관됨을 시사한다.

ABSTRACT

The concentric gaps and rings commonly observed in protoplanetary disks in millimeter continuum emission have lent the impression that planet formation generally proceeds within orderly, isolated systems. While deep observations of spatially resolved molecular emission have been comparatively limited, they are increasingly suggesting that some disks interact with their surroundings while planet formation is underway. We present an analysis of complex features identified around GM Aur in $^{12}$CO $J=2-1$ images at a spatial resolution of $\sim40$ au. In addition to a Keplerian disk extending to a radius of $\sim550$ au, the CO emission traces flocculent spiral arms out to radii of $\sim$1200 au, a tail extending $\sim1800$ au southwest of GM Aur, and diffuse structures extending from the north side of the disk up to radii of $\sim1900$ au. The diffuse structures coincide with a "dust ribbon" previously identified in scattered light. The large-scale asymmetric gas features present a striking contrast with the mostly axisymmetric, multi-ringed millimeter continuum tracing the pebble disk. We hypothesize that GM Aur's complex gas structures result from late infall of remnant envelope or cloud material onto the disk. The morphological similarities to the SU Aur and AB Aur systems, which are also located in the L1517 cloud, provide additional support to a scenario in which interactions with the environment are playing a role in regulating the distribution and transport of material in all three of these Class II disk systems. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

연구 동기 및 목표

• 고공간 해상도에서 GM Aur 원반 주변의 CO 기체 복사수준의 형태와 운동학을 조사하여 비축대칭 구조를 규명한다.
• 관측된 대규모 기체 특징(예: 나선형 팔, 꼬리, 흐린 북쪽 구조)이 원반 진화 모델과 외부 환경 상호작용 중 어느 것으로서 일관되는지 규명한다.
• 비축대칭적인 CO 기체 구조와 축대칭적인 밀리미터 파장 연속 스펙트럼 하위구조를 대비하여, 기체와 먼지의 형태 간의 괴리점을 부각한다.
• L1517 성간분화역 내 유사한 시스템들(예: SU Aur, AB Aur)과의 비교를 통해 이러한 복잡한 특징의 기원을 탐색하고, 외부 유입이 원반 진화에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• MAPS 대규모 프로그램을 통해 ALMA를 활용하여 고감도, 고각해상도(약 40 au)의 12CO J=2−1 데이터를 확보하였다.
• 은하수 질량 M*=1.1 M⊙, 기체 압력 기울기, 온도 프로파일 T(r) ∝ r−0.608을 포함한 정적 원반 모델을 사용하여 케플러 운동의 등속도 등고선을 구성하였다.
• 케플러 마스크(파이썬 패키지 gofish 및 keplerian_mask를 활용)를 적용하여 도는 원반의 복사수준을 분리하고, 비케플러 운동 특징을 분리할 수 있도록 하였다.
• 흐린 복사수준의 가시성을 향상시키기 위해 아크 hyperbolic 색상 스트레칭과 5–35σ 등고선 오버레이를 채용하였다.
• 기체 밀도와 압력 스케일 높이를 표면 밀도 프로파일 Σg(r) ∝ r−1 exp(−r/176 au)와 H(r) ∝ r1.35를 사용하여 모델링하였다.
• 선형 방향 속도(vlos)는 vlos = vsys + vϕ cosϕ sin i 공식을 통해 계산하였으며, 기준 각도 i=53.21°, vsys=5.61 km s−1로 설정하여 픽셀 위치를 원반 좌표계로 매핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도(부분초 이하)에서 GM Aur 주변 CO 복사수준에 나타나는 대규모 비축대칭 기체 구조는 무엇인가?
• RQ2 CO 기체 구조의 운동학적 특성과 형태는 원반의 케플러 운동과 축대칭적인 먼지 연속 스펙트럼 고리와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 관측된 나선형 팔, 꼬리, 흐린 북쪽 구조의 기원은 무엇인가?
• RQ4 관측된 특징들이 잔여 원반 또는 성간 물질의 지속적인 후행 유입을 시사하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 SU Aur과 AB Aur와의 형태적 유사성은 L1517 성간분화역 내 원반 진화에 환경적 유입이 영향을 미친다는 공통된 메커니즘을 뒷받침하는가?

주요 결과

• 12CO J=2−1 복사수준은 약 1200 au까지 확장된 굽은 나선형 팔을 드러내며, 비케플러 운동 기체의 움직임을 시사한다.
• 명확한 꼬리가 GM Aur에서 약 1800 au 남서쪽으로 뻗어 있으며, 주 원반과 위치 및 속도에서 떨어져 있어 역학적 기원을 시사한다.
• 북쪽 쪽에 약 1900 au까지 퍼진 흐린 확장된 구조가 관측되었으며, 이는 이전에 산란광에서 확인된 먼지 리본과 일치한다.
• 대규모 기체 특징은 형태적으로 비축대칭적이며, 케플러 운동 원반(약 550 au까지 확장)과 운동학적으로도 뚜렷하게 다릅니다.
• CO 복사수준 형태는 축대칭적인 다중 고리 밀리미터 연속 스펙트럼 고리와 대조를 이루며, 기체와 먼지의 하위구조 간의 분리가 일어나고 있음을 시사한다.
• SU Aur과 AB Aur와의 형태적 유사성은 외부 환경의 유입이 Class II 원반의 기체 분포 및 이동을 형성하는 데 기여할 수 있음을 뒷받침한다.