[논문 리뷰] Quantifying the gas inside dust cavities in transitional disks: implications for young planets

E. F. van Dishoeck, Nienke van der Marel외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 ALMA 관측과 DALI 열역학화학 코드를 사용하여 네 개의 전이 원반의 기체 및-dust 구조를 분석하여, 기체가 먼지 갈라진 부분 내에서 밀도가 감소한 채로 유지됨을 발견했다—최대 10,000배까지 감소하여, 광화학적 증발 또는 입자 성장이 아닌 행성에 의한 청소 작용을 시사한다. 특히 CO 이소토폴로그에서의 깊은 기체 부족은 하나 이상의 질량이 큰(10–15 M_Jup) 동반행성이 갈라진 부분을 형성하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

ALMA observations of a small sample of transitional disks with large dust cavities observed in Cycle 0 and 1 are summarized. The gas and dust surface density structures are inferred from the continuum and 12CO, 13CO and C18O line data using the DALI physical-chemical code. Thanks to its ability to self-shield, CO can survive inside dust cavities in spite of being exposed to intense UV radiation and can thus be used as a probe of the gas structure. Modeling of the existing data shows that gas is present inside the dust cavities in all cases, but at a reduced level compared with the gas surface density profile of the outer disk. The gas density decrease inside the dust cavity radius by factors of up to 10^4 suggests clearing by one or more planetary-mass companions. The accompanying pressure bumps naturally lead to trapping of the mm-sized dust grains observed in the ALMA images.

연구 동기 및 목표

• ALMA 관측을 통해 전이 원반의 먼지 갈라진 부분 내 냉각 분자 기체의 분포를 정량화하는 것.
• 갈라진 부분 내 기체 부족이 광화학적 증발, 입자 성장, 또는 행성 이동과 일치하는지 확인하는 것.
• 압력 봉우리와 먼지 포획이 원반 구조를 형성하는 데 미치는 역할을 평가하는 것.
• 기체 및 먼지 형태를 통해 알려지지 않은 행성 동반체의 존재와 특성을 추론하는 것.
• CO 이소토폴로그와 복사전달 모델링을 사용하여 기체 표면 밀도 프로파일과 갈라진 부분 깊이를 제약하는 것.

제안 방법

• 네 개의 전이 원반에서 먼지 및 기체 방출을 맵핑하기 위해 ALMA 밴드 7 및 밴드 9 연속 및 선 데이터(12CO, 13CO, C18O J=6–5 및 3–2)를 사용하였다.
• DALI 물리화학 코드는 전체 연속 복사전달을 통해 먼지 온도를 모델링하고, 분자 화학을 통해 기체의 가열-냉각 균형을 계산하였다.
• 비- LTE 분자 자극 및 선 복사전달은 기체 온도와 분자 농도를 입력값으로 사용하여 계산하였다.
• 가변 매개변수 δ_gas를 갖는 매개변수 기반 기체 밀도 모델을 적용하여 먼지 갈라진 부분 내 기체 표면 밀도를 조정하였다.
• 자기 차폐를 포함하여 자외선에 노출된 갈라진 부분 영역에서 CO의 생존 가능성을 허용함으로써 기체 탐측을 가능하게 하였다.
• 관측된 이미지와 스펙트럼 에너지 분포에 대한 모델 적합을 통해 기체 및 먼지 표면 밀도 프로파일을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 원반의 먼지 갈라진 부분 내에서 분자 기체가 존재하는가, 그리고 어떤 밀도 수준에서 존재하는가?
• RQ2 관측된 기체 및 먼지 형태를 가장 잘 설명하는 메커니즘은 광화학적 증발, 입자 성장, 또는 행성 동반체인가?
• RQ3 관측된 CO 이소토폴로그 선 프로파일은 기체 갈라진 부분의 깊이와 날카기 정도를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 기체 및 먼지 데이터의 조합은 행성 유도 압력 봉우리와 디스크 불안정성에 의한 봉우리를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 기체 밀도 감소를 바탕으로 내재된 행성 동반체의 추정 질량과 궤도 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 이 연구에서 분석한 네 개의 전이 원반 모두에서 먼지 갈라진 부분 내 기체가 검출되었으며, 외부 원반에 비해 표면 밀도가 최대 10,000배까지 감소하였다.
• 기체 갈라진 부분 반경(r_cav,gas ≈ 30 AU)은 먼지 갈라진 부분 반경(r_cav,dust ≈ 40 AU)보다 작아, 이질적인 청소 작용을 시사한다.
• CO 이소토폴로그(13CO, C18O)는 12CO보다 더 깊은 기체 밀도 감소를 드러내어 이전에 추론된 것보다 더 심각한 부족을 시사한다.
• 깊은 기체 부족은 광화학적 증발 또는 입자 성장만으로는 설명되지 않으며, 주로 행성에 의한 청소 작용이 주요 메커니즘이라고 시사한다.
• Oph IRS 48의 경우 강한 기체 감소와 복사형 구조의 조합은 저 viscoity 디스크 내에서 질량이 10–15 M_Jup인 거대한 행성이 존재함을 암시한다.
• 갈라진 부분 크기와 δ_gas 간의 모델 불확실성은 CO 이소토폴로그에 대한 고해상도 ALMA 데이터가 없이선 정확한 행성 질량 제약을 내릴 수 없음을 제한한다.