[논문 리뷰] The chemistry of episodic accretion in embedded objects. 2D radiation thermo-chemical models of the post-burst phase

Christian Rab, Vardan G. Elbakyan외 8명|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|2017. 05. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 87인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 PRODIMO 코드를 사용하여 붕괴 후 초기 단계의 원형 별 형성체에 대한 2차원 복사열역학화학 모델을 제시한다. 이는 붕괴 후 냉각 단계 동안 CO의 내부에서 외부로 얼어붙는 현상이 C18O J=2-1 복사선에서 고유한 공간적 특징을 나타내며, 이는 간격과 X자형 강도 패tern을 포함한다. 이러한 특징들은 ALMA 관측의 이중 가우시안 피팅을 통해 모델에 종속되지 않는 방식으로 붕괴 후 물체를 식별할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Episodic accretion is an important process in the evolution of young stars and their environment. The observed strong luminosity bursts of young stellar objects likely have a long lasting impact on the chemical evolution of the disk and envelope structure. We want to investigate observational signatures of the chemical evolution in the post-burst phase for embedded sources. With such signatures it is possible to identify targets that experienced a recent luminosity burst. We present a new model for episodic accretion chemistry based on the 2D, radiation thermo-chemical disk code ProDiMo. We have extended ProDiMo with a proper treatment for envelope structures. For a representative Class I model, we calculated the chemical abundances in the post-burst phase and produced synthetic observables like intensity maps and radial profiles. During a burst many chemical species, like CO, sublimate from the dust surfaces. As the burst ends they freeze out again (post-burst phase). This freeze-out happens from inside-out due to the radial density gradient in the disk and envelope structure. This inside-out freeze-out produces clear observational signatures in spectral line emission, like rings and distinct features in the slope of radial intensity profiles. We fitted synthetic C18O J=2-1 observations with single and two component fits and find that post-burst images are much better matched by the latter. Comparing the quality of such fits allows identification of post-burst targets in a model-independent way. Our models confirm that it is possible to identify post-burst objects from spatially resolved CO observations. However, to derive proper statistics, like frequencies of bursts, from observations it is important to consider aspects like the inclination and structure of the target and also dust properties as those have a significant impact on the freeze-out timescale.

연구 동기 및 목표

• 임베디드 원형 별 형성체의 붕괴 후 단계에서의 비정기적 응집의 화학적 및 복사적 특징을 조사한다.
• 짧은 지속시간으로 인해 직접적인 광학적 붕괴가 감지되지 않을 경우 붕괴 영향을 받은 천체를 식별하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 공간적으로 해상도가 높은 CO 선 방출을 이용해 붕괴 후 물체를 식별하는 모델에 종속되지 않는 관측 방법을 개발한다.
• 디스크 구조,-dust 특성, 기울기 각도가 얼음 고정 시간 상수와 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가한다.
• 현실적인 먼지 크기 분포가 디스크와 외곽에서 얼음 고정 역학에 미치는 영향을 정량화한다.

제안 방법

• PRODIMO 코드의 2차원 복사열역학화학 디스크 모델을 확장하여 현실적인 외곽 구조와 시간에 따라 변화하는 붕괴 진화를 포함시켰다.
• 표면 가중 평균 먼지 크기 분포(디스크에서는 최대 1000 µm, 외곽에서는 1 µm)를 통합하여, 단일 0.1 µm 입자에 비해 얼음 고정 시간 상수를 디스크에서는 90배, 외곽에서는 3배 감소시켰다.
• 붕괴 후 냉각 단계 동안 온도 및 화학적 구조의 진화를 시뮬레이션하였으며, 반경 방향 밀도 기울기로 인해 내부에서 외부로 얼어붙는 CO의 특징을 중점적으로 분석하였다.
• C18O J=2-1 방출에 대한 합성 ALMA 관측을 생성하였으며, 강도 맵, 반경 방향 강도 프로파일, 가우시안 성분 피팅을 포함하였다.
• 이중 가우시안 피팅을 통해 붕괴 후 방출(중심 + 확장된 성분)과 안정 상태에서의 방출(단일 성분)을 구분하였다.
• 디스크의 그림자 효과로 인해 외곽의 온도 구조가 영향을 받으며, 이는 중앙면 근처 CO 농도를 3배 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정기적 응집의 붕괴 후 단계에서 CO 얼음 고정의 관측 가능한 화학적 및 복사적 특징은 무엇인가?
• RQ2 내부에서 외부로 얼어붙는 메커니즘이 C18O 방출 맵에서 고유한 공간적 특징을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 C18O J=2-1 강도 프로파일의 이중 가우시안 피팅이 모델에 종속되지 않는 방식으로 붕괴 후 원형 별 형성체를 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ4 먼지 크기 분포, 디스크 구조, 관측 기울기 각도가 붕괴 후 특징의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 외곽 밀도 기울기와 디스크 그림자 효과가 붕괴 후 화학적 진화의 시간 상수와 형태에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 붕괴 후 단계에서 내부에서 외부로 얼어붙는 CO는 C18O J=2-1 강도 맵에 명확한 간극을 생성하며, 이는 주로 시야가 뚫린 면면 방향 시스템에서 관측 가능하다.
• 반경 방향 강도 프로파일은 피크 강도가 확장된 방출보다 더 빠르게 감소함을 보여주며, 내부 및 외부 영역에서 얼음 고정의 시간 상수가 다름을 시사한다.
• C18O 방출의 이중 가우시안 피팅은 붕괴 후 물체를 식별하는 데 강력하고 모델에 종속되지 않는 방법을 제공하며, 이러한 피팅이 붕괴 후 방출에 훨씬 더 잘 맞는다.
• 확장된 방출 성분은 붕괴 후 최대 10,000년 동안 지속되며, 최근 붕괴의 탐지 가능성을 보장한다.
• 현실적인 먼지 크기 분포는 얼음 고정 시간 상수를 디스크에서는 90배, 외곽에서는 3배 감소시키지만, 여전히 디스크 밀도가 시간 상수를 지배하여 내부에서 더 빠르게 얼어붙는다.
• 디스크 그림자는 외곽 중앙면을 냉각시켜, 반경 방향 CO 얼음 선 내에서 CO 농도를 3배 감소시키며, 이는 1차원 모델에선 존재하지 않으며 정확한 화학 모델링에 필수적이다.