[논문 리뷰] Carbon depletion observed inside T Tauri inner rims: Formation of icy, kilometer size planetesimals by 1 Myr

M. K. McClure|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 10. 14.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 59인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 26개의 T 타우리 별의 내부 디스크에서 탄소 농도를 측정하기 위해 근적외선 분광법과 광이온화 모델링을 사용하며, 세 시스템에서 최대 42배의 탄소 빈도를 발견한다. 결과는 난류 탄소가 1 밀리온 년 이내에 형성된 킬로미터 크기의 얼음 행 星소에서 갇히는 것으로 나타나며, CO 눈선 이외의 영역에서의 반경 방향 이동과 효율적인 입자 성장을 고려할 때 일관된 결과이다.

ABSTRACT

The carbon content of protoplanetary disks is an important parameter to characterize planets formed at different disk radii. There is some evidence from far-infrared and submillimeter observations that gas in the outer disk is depleted in carbon, with a corresponding enhancement of carbon-rich ices at the disk midplane. Observations of the carbon content inside of the inner sublimation rim could confirm how much carbon remains locked in kilometer size bodies in the disk. Using near-infrared spectra, I self-consistently determine the stellar, extinction, veiling, and accretion properties of the 26 stars in my sample. From these values, I extract the inner disk excess of the target stars and identify a series of C^0 recombination lines in 18 of these disks and use the CHIANTI atomic line database with an optically thin slab model to constrain the average n_e, T_e, and n_C for these lines in the five disks with a complete set of lines. By comparing these values with other slab models of the inner disk using the Cloudy photoionization code, I also constrain n_H and the carbon abundance, X_C, and hence the amount of carbon `missing' from the slab. The inner disks are extremely dense (n_H~10^{16} cm^{-3}), warm (T_e~4500 K), and moderately ionized (logX_e~3.3). Three of the five modeled disks show robust carbon depletion <=42 relative to the solar value. I discuss multiple ways in which the `missing' carbon could be locked out of the accreting gas. Given the high-density inner disk gas, evidence for radial drift, and lack of obvious gaps in these three systems, their carbon depletion is most consistent with the `missing' carbon being sequestered in kilometer size bodies. For DR Tau, nitrogen and silicon are also depleted by factors of 45 and 4, respectively, suggesting that the kilometer size bodies into which the grains are locked were formed beyond the N_2 snowline.

연구 동기 및 목표

• T 타우리 별의 내부 디스크 기체에서 탄소 농도를 측정하는 것, 특히 먼지의 기화 경계 내부에서 기체가 광학적으로 얇다고 예상되는 영역에서.
• 기체상 탄소 빈도가 태양 농도 대비 얼마나 감소되어 있는지 측정함으로써 원형행성계 디스크에서 난류 탄소의 운명을 조사하는 것.
• 내부 디스크에서 탄소 빈도가 성장 중인 고체, 특히 킬로미터 크기의 행 星소에 갇혀 있는지 평가하는 것.
• 반경 방향 이동과 입자 성장이 CO 눈선 이외의 영역에서 탄소를 고체에 고착시키는 데 어떤 역할을 하는지 탐구하는 것.
• 형성 중인 행 星소의 조성을 추론하기 위해 침강 흐름에서 원소 농도(탄소, 실리카, 질소)를 제약하는 것.

제안 방법

• GAIA DR2 거리 자료를 사용하여 26개의 T 타우리 별의 중간 해상도 근적외선(0.8–2.5 μm) 스펙트럼을 확보하여 항성, 흡수, 덮개, 침강 특성을 유도한다.
• 관측 스펙트럼에서 비침강 T 타우리 스펙트럼 템플릿을 빼내어 내부 디스크 과잉 발광을 추출한다.
• 18개의 디스크에서 C ii 재결합 선을 식별하고, CHIANTI 원자선 데이터베이스와 광학적으로 얇은 판 모델을 사용하여 전자 밀도(ne), 전자 온도(Te), 탄소 수밀도(nC)를 제약한다.
• Cloudy 광이온화 코드를 적용하여 내부 디스크 판을 모델링하고 수소 밀도(nH), 전자 비율(Xe), 탄소 농도(XC)를 유도하여 탄소 빈도를 정량화한다.
• DR Tau의 경우, 침강 흐름에서 실리카와 질소의 문헌 상 상대 농도를 사용하여 원소 빈도를 추론한다.
• 간섭계 및 SED 모델링 자료로부터 H β, CO, 먼지 기화 반경을 사용하여 C ii 발광의 반경 범위를 평가하고 탄소 농도에 대해 보수적인 상한선을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T 타우리 별의 내부 디스크 기체에서 탄소는 태양 농도에 비해 어느 정도 빈도가 감소되어 있는가?
• RQ2 관측된 내부 디스크 기체의 탄소 빈도를 설명할 수 있는 물리적 과정는 무엇인가?
• RQ3 부족한 탄소는 반경 방향 이동과 입자 성장을 통해 형성된 킬로미터 크기의 얼음 행 星소에 갇혀 있는 것으로 일관하는가?
• RQ4 침강 흐름에서 실리카와 질소의 원소 빈도는 질소 눈선 이외의 영역에서 형성된 행 星소와 일치하는가?
• RQ5 판 기하학과 이온화 구조에 대한 불확실성은 유도된 탄소 농도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델링된 내부 디스크는 매우 밀도가 높고(nH ~ 10¹⁶ cm⁻³), 따뜻하며(Te ~ 4,500 K), 중간 정도로 이온화되어 있다(log Xe ~ 3.3).
• 모델링된 다섯 개의 디스크 중 세 개에서 탄소 빈도가 강력하게 감소되어 있으며, 기체상 탄소 농도가 태양 농도 대비 최대 42배 감소되어 있다.
• 관측된 탄소 빈도는 '부족한' 탄소가 반경 방향 이동과 입자 성장을 통해 형성된 킬로미터 크기의 행 星소에 갇혀 있다는 것과 가장 잘 일치한다.
• DR Tau의 경우, 질소와 실리카는 각각 45배와 4배 감소되어 있어, 질소 눈선 이외의 영역에서 형성된 행 星소가 있음을 시사한다.
• 내부 디스크 기체의 고밀도, 따뜻함, 이온화 상태는 C ii 선 분석에 대해 광학적으로 얇은 판 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 내부 디스크에서 탄소 빈도가 약 1 밀리온 년 이내에 초기 행 星소 형성과 난류 갇힘을 추적하는 지표로 사용될 수 있음을 입증한다.