[논문 리뷰] Viscous Heating and Boundary Layer Accretion in the Disk of Outbursting Star FU Orionis

Aaron Labdon, Stefan Kraus외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CHARA 배열의 MIRC-X 장치를 사용하여 젊은 항성 물체인 FU Orionis의 J-대역 간섭계 관측을 처음으로 수행한다. 내부 디스크에서 T ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²의 온도 기울기가 밝혀졌으며, 이는 안정된 상태, 광학적으로 두꺼운 순환 디스크에서 점성 예열과 일치한다. 또한 경계층 순환에 의한 물질 공급이 0.015 ± 0.007 au까지 확인되었으며, 표면 온도는 5800 ± 700 K이다.

ABSTRACT

Context. FU Orionis is the archetypal FUor star, a subclass of young stellar object (YSO) that undergo rapid brightening events, often gaining 4-6 magnitudes on timescales of days. This brightening is often associated with a massive increase in accretion; one of the most ubiquitous processes in astrophysics from planets and stars to super-massive black holes. We present multi-band interferometric observations of the FU Ori circumstellar environment, including the first J-band interferometric observations of a YSO. Aims. We investigate the morphology and temperature gradient of the inner-most regions of the accretion disk around FU Orionis. We aim to characterise the heating mechanisms of the disk and comment on potential outburst triggering processes. Methods. Recent upgrades to the MIRC-X instrument at the CHARA array allowed the first dual-band J and H observations of YSOs.Using baselines up to 331 m, we present high angular resolution data of a YSO covering the near-infrared bands J, H, and K. The unprecedented spectral range of the data allows us to apply temperature gradient models to the innermost regions of FU Ori. Results. We spatially resolve the innermost astronomical unit of the disk and determine the exponent of the temperature gradient of the inner disk to $T=r^{-0.74\pm0.02}$. This agrees with theoretical work that predicts $T = r^{-0.75}$ for actively accreting, steady state disks, a value only obtainable through viscous heating within the disk. We find a disk which extends down to the stellar surface at $0.015\pm0.007$ au where the temperature is found to be $5800\pm700$ K indicating boundary layer accretion. We find a disk inclined at $32\pm4^\circ$ with a minor-axis position angle of $34\pm11^\circ$.

연구 동기 및 목표

• FU Orionis, 즉 특징적인 FU Orionis 활성화 별 주변의 내부 순환 디스크의 온도 구조와 형태를 규명하기 위해.
• 고각해상도 관측을 통해 안정된 상태, 광학적으로 두꺼운 순환 디스크에서 점성 예열 이론 모델을 검증하기 위해.
• 내부 가장자리와 온도 기울기를 조사하여 경계층 순환의 존재와 영향을 탐색하기 위해.
• 간섭계 데이터의 기하 모델링을 통해 디스크 기울기와 위치각을 제약 조건을 설정하기 위해.
• 0.5–50 mas 내의 가까운 이중성 별이 순환 활성화 메커니즘에 영향을 줄 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 331 m까지의 기준선을 확보한 CHARA 배열에서 MIRC-X 장치를 사용하여 다중 대역 간섭계 관측을 수행하였다.
• 동시적인 J-대역 및 H-대역 관측을 통해 고스펙트럼 해상도와 넓은 파장 커버리지를 확보하여 디스크 전반의 온도 기울기를 모델링하였다.
• 가시도 및 폐쇄 위상 데이터의 기하 모델링을 통해 디스크 기울기, 위치각, 내부 디스크 반경을 유도하였다.
• 관측된 복사원소 분포에 J, H, K 대역을 기반으로 온도 기울기 모델을 적합시켜 가열 메커니즘을 추론하였다.
• H-대역 가시도 및 폐쇄 위상 데이터를 사용하여 이중성 탐색을 수행하였으며, 0.5–50 mas 사이의 이중성에 대해 상한 복사원소 대비율 1.3%를 설정하였다.
• 관측된 온도 프로파일과 비교하여 점성 예열, 안정된 상태의 순환 디스크 이론 모델을 검토하여 가열 메커니즘의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FU Orionis 주변 내부 디스크의 반경 온도 프로파일은 무엇이며, 점성 예열, 안정된 상태의 순환 디스크 예측과 일치하는가?
• RQ2 관측된 온도 기울기가 내부 영역에서 점성 예열이 주요 가열 메커니즘임을 뒷받침하는가?
• RQ3 순환 디스크가 별 표면까지 얼마나 확장되어 있으며, 내부 가장자리의 온도가 경계층 순환을 확인하는가?
• RQ4 디스크의 기울기와 위치각은 무엇이며, 이는 이전 추정치와 제트/기류 방향과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 0.5–50 mas 내에서 순환 활성화 메커니즘을 유도하거나 영향을 줄 수 있는 가까운 이중성 별이 존재하는가?

주요 결과

• 내부 디스크의 온도 기울기는 T ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²로 측정되었으며, 점성 예열, 안정된 상태의 순환 디스크에 대한 이론적 예측인 T ∝ r⁻⁰.⁷⁵와 매우 유사하다.
• 내부 디스크는 별에서 0.015 ± 0.007 au까지 확장되며, 이곳에서 온도는 5800 ± 700 K에 도달한다. 이는 경계층 순환과 일치한다.
• 디스크는 32 ± 4° 기울어져 있으며, 주축 위치각은 34 ± 11°이다. 이는 이전 연구보다 더 엄격한 제약 조건을 제공한다.
• 주축 위치각은 알려진 제트/기류 방향으로부터 약 60° 기울어져 있어, 제트가 디스크 평면에 완전히 수직이 아니라는 것을 시사한다.
• 0.5–50 mas 내에서 유의미한 이중성은 탐지되지 않았으며, H-대역에서 상한 복사원소 대비율은 1.3%이다. 이는 이 영역 내에서 질량이 큰 이중성이 존재하지 않음을 배제한다.
• 이 연구는 젊은 항성 물체의 순환 디스크 열 구조를 탐색하기 위해 J-대역 간섭계의 가능성과 효과를 입증한다.