[논문 리뷰] Spectral appearance of the planetary-surface accretion shock: Global spectra and hydrogen-line profiles and fluxes

Yuhiko Aoyama, Gabriel-Dominique Marleau외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 11인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 행 星 표면의 순환 충격에서 수소선 방출을 예측하기 위해 평형이 아닌, 시간에 따라 변화하는 비- LTE 복사유체역학 모델을 개발한다. 이 모델은 Hα 등급이 순환률에 따라 단조롭게 증가하고, 행성 질량에 따라 약간 증가함을 보여주며, 행성 표면 충격이 원위 행성 디스크 충격보다 탐지 가능성에서 더 우세할 가능성이 있음을 밝힌다. 또한 비탐지 결과로부터 순환률에 대한 재평가된 제약 조건을 제공하며, 별의 순환 모델에서의 외삽을 도전한다.

ABSTRACT

Hydrogen-line emission from an accretion shock has recently been observed at planetary-mass objects. Our previous work predicted the shock spectrum and luminosity for a shock on the circumplanetary disc. We extend this to the planet-surface shock. We calculate the global spectral energy distribution (SED) of accreting planets by combining our model emission spectra with photospheric SEDs, and predict the line-integrated flux for several hydrogen lines, especially H alpha, but also H beta, Pa alpha, Pa beta, Pa gamma, Br alpha, and Br gamma. We apply our non-equilibrium emission model to the surface accretion shock for a wide range of accretion rates Mdot and masses M_p . Fits to formation calculations provide radii and effective temperatures. Extinction by the surrounding material is neglected, which is arguably often relevant. We find that the line luminosity increases monotonically with Mdot and M_p , depending mostly on Mdot and weakly on M_p for the relevant range of parameters. The Lyman, Balmer, and Paschen continua can exceed the photosphere. The H beta line is fainter by 0 to 1 dex than H alpha, whereas other lines are weaker (by 1 to 3 dex). Shocks on the planet or the CPD surface are distinguishable at very high spectral resolution, but the planet surface shock likely dominates if both are present. Applied to recent non-detections of H alpha, our models imply looser constraints on the Mdot of putative planets than when extrapolating fits from the stellar regime. These hydrogen-line luminosity predictions are useful for interpreting (non-)detections of accreting planets.

연구 동기 및 목표

• 행성 표면의 순환 충격에서 발생하는 스펙트럼 에너지 분포와 수소선 방출을 원위 행성 디스크 충격과 구별하여 모델링하기.
• 전통적인 T 타우리 별(CTTS) 관계에서의 검증되지 않은 외삽을 피하기 위해 형성 중인 행성의 순환률에 대한 제약 조건을 향상시키기.
• 특히 Hα, Hβ 및 파스chen/브라켓선에 대해 충격 등급이 순환률과 행성 질량에 어떻게 의존하는지 정량화하기.
• 고해상도 스펙트럼에서 행성 표면 충격과 원위 행성 디스크 충격의 탐지 가능성 비교하기.
• 순환 충격의 일시적이고 급격히 냉각되는 조건에 적용 가능한 물리적으로 타당한 평형이 아닌 모델 제공하기.

제안 방법

• 충격으로 가열된 기체의 냉각, 화학 반응 및 복사 전달을 고려한 0차원, 시간에 따라 변화하는 비- LTE 라그랑주 복사유체역학 모델을 사용한다.
• 충격 방출 스펙트럼과 광학적 SED를 결합하여 순환 행성의 전체 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 계산한다.
• 빠른 냉각으로 인해 평형 가정이 무효화되는 상황을 고려하기 위해 비평형 이온화 및 준위 분포 모델을 적용한다. 이는 이전 모델(SH95 등)에서 사용된 평형 가정을 초월한다.
• 행성 형성 시뮬레이션의 피팅 결과를 활용하여 질량과 순환률에 따른 행성 반지름과 효율 온도를 결정한다.
• 충격 매개변수(n₀, v₀)와 행성 질량의 격자에 대해 Hα, Hβ, Paα, Paβ, Paγ, Brα, Brγ의 선 통합 방출량을 계산한다.
• 주변 물질에 의한 흡수를 무시하고, 관측 결과와의 비교를 위해 고유의 충격 방출 특성에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성 표면 순환 충격에서 발생하는 수소선 등급은 순환률과 행성 질량에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 고해상도 스펙트럼에서 행성 표면의 충격 방출은 원위 행성 디스크의 충격 방출과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ3 최근 직접 영상 조사에서의 비탐지 결과로부터 유추된 Hα 등급과 예측된 Hα 등급은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 표준 CTTS 기반의 L_Hα–L_acc 관계는 행성 질량 천체에서 순환률을 과대평가하거나 잘못 표현하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 형성 중인 행성에서 총 관측된 Hα 등급에 대해 행성 표면 충격과 원위 행성 디스크 충격의 기여도는 각각 어느 정도인가?

주요 결과

• Hα 등급은 순환률에 따라 단조롭게 증가하고, 행성 질량에 따라 약간 증가하며, 순환률이 주요 제어 변수이다.
• Hβ 선은 Hα보다 0–1 dex 어두워질 것으로 예측되며, 다른 선(Paα, Paβ 등)은 1–3 dex 어두워진다.
• 라이먼, 발머 및 파스chen 연속기는 광학적 연속기를 초월할 수 있으며, 강한 비광학적 방출을 나타낸다.
• 행성 표면 충격은 둘 다 존재할 경우 탐지 가능한 Hα 방출의 주요 기여자일 가능성이 높다.
• Hα 비탐지는 이전에 별의 순환 모델에서 외삽할 때 가정된 것보다 더 느슨한 순환률 제약 조건을 암시한다.
• 모델은 급격한 냉각으로 인해 평형 모델(SH95 등)이 적용 불가능하며, 정확한 결과를 얻기 위해 시간에 따라 변화하는 비- LTE 처리가 필요하다는 것을 보여준다.