[논문 리뷰] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales. XX. The Massive Disk Around GM Aurigae

Kamber R. Schwarz, Jenny K. Calahan외 26명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 101인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 ALMA 및 Herschel 관측을 활용하여 GM Aurigae 주위의 거대한 원행 星계원반의 기체 및-dust 구조를 모델링한다. 총 기체 질량은 약 0.2 M⊙로 도출되었으며, 100 au 이상에서 강한 CO 탈착 현상이 확인되었고, 전반적인 원반 안정성에도 불구하고 70–100 au 부근에서 중력 불안정성이 나타나는 것으로 분석되어 원반 진화 및 행성 형성 과정에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Gas mass remains one of the most difficult protoplanetary disk properties to constrain. With much of the protoplanetary disk too cold for the main gas constituent, H2, to emit, alternative tracers such as dust, CO, or the H2 isotopolog HD are used. However, relying on disk mass measurements from any single tracer requires assumptions about the tracer's abundance relative to \hh\ and the disk temperature structure. Using new Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations from the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) ALMA Large Program as well as archival ALMA observations, we construct a disk physical/chemical model of the protoplanetary disk GM Aur. Our model is in good agreement with the spatially resolved CO isotopolog emission from eleven rotational transitions with spatial resolution ranging from 0.15'' to 0.46'' (24-73 au at 159 pc) and the spatially unresolved HD J=1-0 detection from Herschel. Our best-fit model favors a cold protoplanetary disk with a total gas mass of approximately 0.2 solar masses, a factor of 10 reduction in CO gas inside roughly 100 au and a factor of 100 reduction outside of 100 au. Despite its large mass, the disk appears to be on the whole gravitationally stable based on the derived Toomre Q parameter. However, the region between 70 and 100 au, corresponding to one of the millimeter dust rings, is close to being unstable based on the calculated Toomre Q of <1.7. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

연구 동기 및 목표

• GM Aurigae 주위의 거대한 원행 星계원반의 진정한 기체 질량을 제약하기 위해, 직접 측정하기 어려운 핵심 매개변수를 규명하는 것.
• 기체 유도 및 CO 유도 기체 질량 추정치 간의 모순을 원반의 물리적·화학적 구조를 모델링하여 해결하는 것.
• 특히 관측된 먼지 고리가 있는 영역에서 중력 안정성을 Toomre Q 매개변수를 사용해 평가하는 것.
• CO 고결, 광분해, 비열적 탈착이 CO 농도 프로파일을 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• 자기 일관된 원반 모델과 다중 트레이서 관측(12CO, 13CO, C18O, HD, 먼지 연속기)을 조합하여 기체 질량 추정치를 향상시키는 것.

제안 방법

• 공간 해상도가 높은 ALMA 관측을 활용하여 11개의 CO 이소토폴로드 전이(0.15–0.46′′ 해상도)를 이용해 기체 온도 및 열량 밀도를 매핑하였다.
• Herschel에서 확보한 비해상도가 없는 HD J=1–0 선 검출을 통해 따뜻한 내부 원반 기체 질량을 제약하였다.
• 기록된 ALMA CO 자료와 새로운 MAPS 프로그램 관측 자료를 조합하여 원반의 3차원 밀도 및 온도 구조를 모델링하였다.
• 중간면에서의 CO 고결, 상층부에서의 광분해, 비열적 탈착을 고려한 물리/화학적 원반 모델을 구축하였다.
• 모델링된 기체 밀도 및 온도를 사용하여 중력 안정성을 평가하기 위해 Toomre Q 매개변수를 계산하였다.
• 기울기 및 고리 구조를 가진 밀리미터 파장 먼지 연속기 갭과의 일치를 검증하여 운동학적 불안정성과 관측된 미세한 구조 간의 연관성을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GM Aurigae 원반의 진정한 총 기체 질량은 얼마이며, 이는 먼지 및 CO만으로부터 추정된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 특히 100 au 이상에서 관측되는 CO 농도 변화는 어떤 물리적·화학적 과정에 의해 발생하는가?
• RQ3 원반은 중력적으로 안정한가? 만약 그렇다면, 70–100 au 부근에서 국소적으로 발생하는 불안정성이 관측된 먼지 고리 구조를 설명할 수 있는가?
• RQ4 비열적 탈착은 밀리미터 파장 먼지 원반을 초월해 중간면에 CO를 얼마나 복원하는가?
• RQ5 CO, HD, 먼지와 같은 다중 트레이서 관측은 단일 트레이서 방법에 비해 기체 질량 제약에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 최적의 피팅 모델은 총 기체 질량 약 0.2 M⊙를 도출하였으며, 이 중 32%는 온도가 20 K 이하인 영역에 분포해 있다.
• 100 au 이내에서는 ISM 값 대비 약 10배, 100 au 초과에서는 약 100배의 CO 기체 농도 감소가 관측되어 고결 및 화학적 처리와 일치한다.
• HD 방출은 내부 200 au에만 국한되며, 12CO 방출은 650 au까지 연장되어 밀리미터 파장 먼지가 추적하는 것보다 훨씬 넓은 범위의 기체 원반을 나타낸다.
• Toomre Q 매개변수는 70–100 au 사이에서 1.7 이하로 떨어지며, 중력 불안정성 임계값을 하회하고, 이는 뚜렷한 밀리미터 파장 먼지 고리와 일치한다. 이는 국소적 불안정성의 가능성을 시사한다.
• 이러한 국소적 불안정성에도 불구하고, 외곽 원반 전반은 중력적으로 안정해 있으며, 대부분의 원반 영역에서 Q > 1.7를 유지한다.
• 비열적 탈착이 외곽 먼지 고리 외부의 중간면에 CO를 재충전시켜 외곽 원반의 잔여 CO 방출을 설명할 수 있음을 입증하였다.