[논문 리뷰] The GRAVITY Young Stellar Object survey IV. The CO overtone emission in 51 Oph at sub-au scales

Collaboration Gravity, M. Koutoulaki외 70명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 46인용 수 2

한 줄 요약

GRAVITY 기구를 활용한 고해상도 간섭측정을 통해 이 연구는 허비그 Ae/Be 항성 51 Oph의 내부 원반에서 CO 고조파 방출을 공간적으로 해상한 결과를 보여준다. 데이터는 항성으로부터 0.10±0.02 au 거리에 위치한 밀도가 높고 뜨거운(1900–2800 K), 밀도가 높은(0.9–9×10²¹ cm⁻²) CO 방출 영역을 규명하였으며, 이는-dust sublimation radius 이내에 위치하고 있으며-dusty 원반과 정확히 겹치고 있다. 이는 먼지가 없는 내부 영역에서 CO를 포함하지 않는 전통적인 원반 모델에 도전하는 결과이다.

ABSTRACT

51 Oph is a Herbig Ae/Be star that exhibits strong near-infrared CO ro-vibrational emission at 2.3 micron, most likely originating in the innermost regions of a circumstellar disc. We aim to obtain the physical and geometrical properties of the system by spatially resolving the circumstellar environment of the inner gaseous disc. We used the second-generation VLTI/GRAVITY to spatially resolve the continuum and the CO overtone emission. We obtained data over 12 baselines with the auxiliary telescopes and derive visibilities, and the differential and closure phases as a function of wavelength. We used a simple LTE ring model of the CO emission to reproduce the spectrum and CO line displacements. Our interferometric data show that the star is marginally resolved at our spatial resolution, with a radius of 10.58+-2.65 Rsun.The K-band continuum emission from the disc is inclined by 63+-1 deg, with a position angle of 116+-1 deg, and 4+-0.8 mas (0.5+-0.1 au) across. The visibilities increase within the CO line emission, indicating that the CO is emitted within the dust-sublimation radius.By modelling the CO bandhead spectrum, we derive that the CO is emitted from a hot (T=1900-2800 K) and dense (NCO=(0.9-9)x10^21 cm^-2) gas. The analysis of the CO line displacement with respect to the continuum allows us to infer that the CO is emitted from a region 0.10+-0.02 au across, well within the dust-sublimation radius. The inclination and position angle of the CO line emitting region is consistent with that of the dusty disc. Our spatially resolved interferometric observations confirm the CO ro-vibrational emission within the dust-free region of the inner disc. Conventional disc models exclude the presence of CO in the dust-depleted regions of Herbig AeBe stars. Ad hoc models of the innermost disc regions, that can compute the properties of the dust-free inner disc, are therefore required.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 해상된 간섭측정 데이터를 활용하여 51 Oph의 내부 기체 원반의 물리적 및 기하학적 구조를 규명하는 것.
• 먼지가 없는 내부 원반 영역에서 CO 회전-진동 방출의 기원과 분포를 조사하는 것.
• 전통적인 원반 모델이 먼지가 없는 영역에서 CO 방출을 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• CO 방출 기체의 온도, 열역학적 밀도, 크기, 기울기, 위치각, 운동학적 특성을 제약하는 것.

제안 방법

• 고스펙트럼 해상도 K-대역 간섭측정 데이터를 확보하기 위해 Very Large Telescope Interferometer에 탑재된 GRAVITY 기구를 사용하였다.
• 12개의 기준선을 통해 복사수신도, 차등 위상, 폐쇄 위상을 측정하여 공간적 및 스펙트럼적 정보를 재구성하였다.
• CO 밴드헤드 스펙트럼과 연속기준 위상 이격을 고려한 局소 열평형 원형 모델을 적용하여 적합을 시도하였다.
• CO 방출의 합성 강도도를 활용하여 관측된 이격을 재현하고, 방출 영역의 크기, 기울기, 위치각, 회전 속도를 추론하였다.
• 광학적으로 두꺼운 J-성분을 가정한 상태에서 관측된 CO 스펙트럼에 적합함으로써 물리적 매개변수(T, NCO)를 제약하였다.
• CO 방출 영역의 기하학적 구조와 운동학적 특성을 먼지 원반과 비교하여 정렬 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 51 Oph에서 CO 고조파 방출은 먼지 기화 반경에 비해 공간적으로 어디에 위치하는가?
• RQ2 내부 원반에서 CO 방출 기체의 물리적 조건(온도, 열역학적 밀도)은 무엇인가?
• RQ3 CO 방출 영역은 기울기와 위치각 측면에서 먼지 원반과 정렬되어 있는가?
• RQ4 CO 방출 영역의 크기와 운동학적 구조는 어떠한가?
• RQ5 표준 원반 모델은 먼지가 없는 내부 원반에서 CO의 존재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• CO 방출은 항성으로부터 0.10±0.02 au 반경에서 기인한다. 이는 먼지 기화 반경 이내에 위치한다.
• CO 방출 기체는 뜨겁고(1900–2800 K) 밀도가 높으며(0.9–9×10²¹ cm⁻²), 이는 이전 연구들과 일치한다.
• CO 방출 영역의 기울기는 63°±1°이고 위치각은 116°±1°이며, 먼지 원반과 정확히 일치한다.
• CO 방출은 K-대역 연속기준보다 더 작다. CO 밴드헤드 내에서 복사수신도가 증가함으로써 더 작은 방출 영역임을 나타낸다.
• 연속기준 대비 CO 선 이격은 0.1 au에서 위치한 원형 모델에 의해 가장 잘 재현되며, 이는 영역의 작고 빈틈없는 크기를 확인한다.
• CO와 먼지 원반 간의 정렬은 상당한 기울기의 이격이 없음을 시사하며, 기체와 먼지 성분이 동시에 형성되었을 가능성을 지지한다.