[논문 리뷰] Morphology of the $^{13}$CO(3-2) millimeter emission across the gas disc surrounding the triple protostar GG Tau A using ALMA observations

Nguyễn Thị Phương, Pham Ngoc Diep외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 6인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 삼중 원형성분 별 GG Tau A 주위의 가스 디스크의 형태, 운동학, 열 구조를 분석하기 위해 ALMA 13CO(3-2) 및 먼지 연속분포 관측을 사용한다. 이는 1 arcsec에서 약 3.1 km s⁻¹의 속도로 케플러 운동을 확인하며, 디스크의 척도 높이에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선 0.24 arcsec(34 au)를 제시하고, 선폭과 관련된 밀도 변화를 통해 온도 기울기와 별 주변에서의 투과도 증가를 시사한다.

ABSTRACT

Observations by the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array of the dust continuum and $^{13}$CO(3-2) millimeter emissions of the triple stellar system GG Tau A are analysed, giving evidence for a rotating gas disc and a concentric and coplanar dust ring. The present work complements an earlier analysis (Tang et al. 2016) by exploring detailed properties of the gas disc. A 95% confidence level upper limit of 0.24 arcsec (34 au) is placed on the disc scale height at a distance of 1 arcsec (140 au) from the central stars. Evidence for Keplerian rotation of the gas disc is presented, the rotation velocity reaching ~3.1 kms$^{-1}$ at 1 arcsec from the central stars, and a 99% confidence level upper limit of 9% is placed on a possible in-fall velocity relative contribution. Variations of the intensity across the disc area are studied in detail and confirm the presence of a hot spot in the south-eastern quadrant. However several other significant intensity variations, in particular a depression in the northern direction, are also revealed. Variations of the intensity are found to be positively correlated to variations of the line width. Possible contributions to the measured line width are reviewed, suggesting an increase of the disc temperature and opacity with decreasing distance from the stars.

연구 동기 및 목표

• 삼중 원형성분 별 GG Tau A 주위의 13CO(3-2) 가스 디스크의 형태와 운동학을 규명하기 위해.
• 고해상도 ALMA 데이터를 활용하여 디스크의 척도 높이를 결정하고 수직 구조를 평가하기 위해.
• 디스크 전반의 밀도 변화와 선폭 간의 상관관계를 분석하여 열 및 투과도 구조를 추론하기 위해.
• 디스크 내에서 회전 운동이 낙하 운동보다 지배적인지 평가하고, 케플러 운동과의 운동학 일관성을 검토하기 위해.
• 관측된 밀도 및 선폭 변화가 행성 또는 보조 천체 형성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 0.9 mm에서의 13CO(3-2) 복사 및 먼지 연속분포에 대한 ALMA Cycle 1 관측을 활용하였으며, beam 크기는 0.37×0.31 arcsec²이고 스펙트럼 해상도는 0.11 km s⁻¹였다.
• 13CO(3-2) 데이터에 대해 자기 캘리브레이션을 수행하고, CASA 및 GILDAS 소프트웨어를 사용하여 연속분포 데이터를 통합하였다.
• 연속분포에 대한 가우시안 피팅을 적용하여 중심 천체와 고리 위치를 결정하였으며, 운동 보정을 실시하였다.
• 디스크 전반에 걸쳐 통합 강도와 선폭을 매핑하고, 각도 및 반경 방향의 변화를 분석하였다.
• 투영된 디스크 축에 수직인 도플러 속도 기울기를 활용하여 낙하 운동 대 비율을 제약하였다.
• 선폭에 기여하는 케플러 운동의 비틀림과 기기 해상도의 기여도를 평가하였으며, 초과된 선폭은 온도 및 투과도 변화에 기인한다고 기인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GG Tau A 주위의 13CO(3-2) 가스 디스크의 운동학적 구조는 무엇이며, 회전 운동이 낙하 운동보다 지배적인가?
• RQ2 반경 1 arcsec(140 au)에서 디스크의 수직 척도 높이는 얼마이며, 수직 평형 상태와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 디스크 전반의 밀도 변화와 선폭 간의 상관관계는 무엇이며, 이는 온도 기울기 및 투과도 기울기의 존재를 어떻게 시사하는가?
• RQ4 지역적 특징(예: 뜨거운 영역 또는 저감 영역)이 존재하는가? 이러한 특징들은 운동학적 비정상성 또는 행성 형성의 징후와 관련이 있는가?
• RQ5 관측된 선폭 변화는 온도 변화나 광학적 깊이 효과와 같은 물리적 과정에 의해 어느 정도 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 중앙 별에서 1 arcsec(140 au) 거리에서 디스크의 척도 높이에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선 0.24 arcsec(34 au)를 설정하였으며, 이는 30 K의 디스크가 수직 평형 상태에 있음을 일치시킨다.
• 1 arcsec에서 약 3.1 km s⁻¹의 속도로 케플러 운동이 확인되었으며, 낙하 속도 기여도에 대해 99% 신뢰수준에서 상한선 9%를 설정하였다.
• 남동부 구역에 뜨거운 영역과 북쪽에 저감 영역이 확인되었으며, 밀도 변화는 반경 방향으로 진동하며 r ~1.2 및 1.9 arcsec에서 최대를 보였다.
• 선폭은 r = 2.3 arcsec에서 약 0.18 km s⁻¹에서 r = 1.5 arcsec에서 약 0.26 km s⁻¹로 증가하였으며, 케플러 비틀림과 기기 해상도 기여도를 초과하는 약 0.11 km s⁻¹의 초과 기여를 보였다.
• 선폭 상대 변화는 밀도 변화와 정적 상관관계를 보였으며(약 1/3의 크기), 이는 온도 기울기와 더 따뜻하고 밀도가 높은 영역에서의 CO(3-2) 자극 증가를 지지한다.
• 관측된 선폭 증가는 반경이 작아질수록 디스크 표면 온도와 투과도가 약 2배 감소함에 따라 설명되며, r = 1.5 arcsec에서 각각 약 36 K와 약 10에 도달한다.