[논문 리뷰] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XVII: Determining the 2D Thermal Structure of the HD 163296 Disk

Jenny K. Calahan, Edwin A. Bergin외 27명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 131인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 CO 이소토폴의 공간 해상도가 높은 ALMA 관측(12CO J=2-1, 13CO J=1-0/2-1, C18O J=1-0/2-1, C17O J=1-0)과 HD J=1-0 통신 상한선을 이용하여 Herbig Ae 별 HD 163296의 원형행 星간원반의 2차원 열구조를 규명한다. 열화학적 코드 RAC2D를 사용하여 반경 방향 CO 탈착(시간 상수 ~0.01 Myr)과 표면층 온도 상승(z/r ≥ 0.21)을 고려한 모델은 원반 질량 상한선 0.35 M⊙를 도출하고, 갈림길이 기체 온도를 오직 5–10%만 증가시킨다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Understanding the temperature structure of protoplanetary disks is key to interpreting observations, predicting the physical and chemical evolution of the disk, and modeling planet formation processes. In this study, we constrain the two-dimensional thermal structure of the disk around Herbig Ae star HD 163296. Using the thermo-chemical code RAC2D, we derive a thermal structure that reproduces spatially resolved ALMA observations (~0.12 arcsec (13 au) - 0.25 arcsec (26 au)) of CO J = 2-1, 13CO J = 1-0, 2-1, C18O J = 1-0, 2-1, and C17O J = 1-0, the HD J = 1-0 flux upper limit, the spectral energy distribution (SED), and continuum morphology. The final model incorporates both a radial depletion of CO motivated by a time scale shorter than typical CO gas-phase chemistry (0.01 Myr) and an enhanced temperature near the surface layer of the the inner disk (z/r <= 0.21). This model agrees with the majority of the empirically derived temperatures and observed emitting surfaces derived from the J = 2-1 CO observations. We find an upper limit for the disk mass of 0.35 Msun, using the upper limit of the HD J = 1-0 and J = 2-1 flux. With our final thermal structure, we explore the impact that gaps have on the temperature structure constrained by observations of the resolved gaps. Adding a large gap in the gas and small dust additionally increases gas temperature in the gap by only 5-10%. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ALMA 관측을 이용해 HD 163296 원형행성원반의 이중차원 열구조를 제약하기.
• 이상적인 물리적 과정(예: CO 탈착 및 국소적 가열)을 통합함으로써 관측된 CO 방출 프로파일과 이전 모델 간의 모순을 해결하기.
• 공간 해상도가 높은 CO 선 방출, 연속체 형태, SED, HD 통신 상한선을 재현하는 자기 일관성 있는 열모델을 도출하기.
• 갈림길이 기체 온도 분포에 미치는 영향, 특히 열구조에 미치는 영향 평가하기.
• HD J=1-0 통신 상한선과 유도된 열구조를 기반으로 원반 질량에 대한 강력한 상한선 도출하기.

제안 방법

• 2차원 열구조 모델링을 위해 열화학적 코드 RAC2D를 사용하여 온도 및 분자 농도 프로파일을 해석함.
• 12CO J=2-1, 13CO J=1-0/2-1, C18O J=1-0/2-1, C17O J=1-0 전이의 공간 해상도가 높은 ALMA 관측을 주요 제약 조건으로 사용함.
• ALMA에서 확보한 HD J=1-0 통신 상한선을 활용하여 원반 표면층의 따뜻한 기체 질량과 온도를 제약함.
• 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SED)와 밀리미터 연속체 형태에 모델을 맞추어-dust 및 기체 질량 제약 조건을 고정함.
• 최적의 적합 구성(configuration)을 찾기 위해 CO 탈착 시간 상수, 표면 가열, 기체 질량, 먼지 질량, 표면 밀도 지수, 플라링(flaring), 외곽 반경 등의 모델 매개변수를 체계적으로 변형함.
• 모든 CO 이소토폴의 관측된 반경 방향 방출 프로파일과의 일치를 확인하기 위해 최종 모델을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중선 및 공간 해상도가 높은 ALMA 관측을 기반으로 한 HD 163296 원반의 이중차원(반경 및 수직) 열구조는 무엇인가?
• RQ2 CO 탈착(시간 상수 ~0.01 Myr)과 표면층 온도 상승(z/r ≥ 0.21)이 관측된 CO 선 강도에 미치는 영향은 어떻게 되는가?
• RQ3 HD J=1-0 통신 상한선과 열구조를 기반으로 유도된 원반 질량 상한선은 무엇인가?
• RQ4 10, 48, 86 au에 위치한 갈림길이 국소 기체 온도에 미치는 영향은 무엇인가, 특히 갈림길 영역에서의 영향은?
• RQ5 기체 질량, 먼지 질량, 외곽 반경, 표면 밀도 지수 등의 원반 매개변수 변화가 관측된 선 프로파일을 재현하는 데 모델의 능력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 적합 모델은 반경 방향 CO 탈착 시간 상수 0.01 Myr와 표면층 온도 상승(z/r ≥ 0.21)을 포함하며, 이는 관측된 CO 선 강도와 방출 표면적에 대한 일치도를 크게 향상시킴.
• 모델은 50–350 au 범위에서 12CO J=2-1, 13CO J=1-0/2-1, C18O J=1-0/2-1, C17O J=1-0의 관측된 반경 방향 방출 프로파일을 고정밀도로 재현함.
• HD J=1-0 통신 상한선과 열구조를 기반으로 도출된 원반 질량 상한선은 0.35 M⊙임.
• 기체와 미세 먼지 모두에 큰 갈림길을 도입하면 갈림길 영역의 기체 온도가 오직 5–10%만 증가하므로 갈림길에 의한 열적 교란은 미미함.
• 모델이 예측한 온도 구조는 300 au 이상에서 ProDiMo 모델보다 더 차가워 외부 원반에서 특히 두드러지며, 관측된 12CO J=2-1 방출 프로파일과 더 잘 일치함.
• ProDiMo 모델과의 괴리 원인은 기체 질량(이 연구에서는 0.14 M⊙, ProDiMo에서는 0.58 M⊙), 먼지 대 기체 비율, 내부 원반 가열 가정의 차이 때문임.