[论文解读] Direct mapping of the temperature and velocity gradients in discs. Imaging the vertical CO snow line around IM Lupi

C. Pinte, F. Ménard+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用 46

一句话总结

本文提出了一种模型无关的方法，利用高分辨率ALMA对CO同位素体的观测，直接映射原行星盘中的温度梯度和速度梯度。该方法应用于IM Lupi时，揭示了在150–300 au范围内，垂直方向上的CO雪线位于约1个气体标高处，冻结温度为21±2 K，并在外部盘面检测到次开普勒运动，可能驱动尘埃颗粒向内迁移，并表明光致蒸发风已开始形成。

ABSTRACT

Accurate measurements of the physical structure of protoplanetary discs are critical inputs for planet formation models. These constraints are traditionally established via complex modelling of continuum and line observations. Instead, we present an empirical framework to locate the CO isotopologue emitting surfaces from high spectral and spatial resolution ALMA observations. We apply this framework to the disc surrounding IM Lupi, where we report the first direct, i.e. model independent, measurements of the radial and vertical gradients of temperature and velocity in a protoplanetary disc. The measured disc structure is consistent with an irradiated self-similar disc structure, where the temperature increases and the velocity decreases towards the disc surface. We also directly map the vertical CO snow line, which is located at about one gas scale height at radii between 150 and 300 au, with a CO freeze-out temperature of $21\pm2$ K. In the outer disc ($> 300$ au), where the gas surface density transitions from a power law to an exponential taper, the velocity rotation field becomes significantly sub-Keplerian, in agreement with the expected steeper pressure gradient. The sub-Keplerian velocities should result in a very efficient inward migration of large dust grains, explaining the lack of millimetre continuum emission outside of 300 au. The sub-Keplerian motions may also be the signature of the base of an externally irradiated photo-evaporative wind. In the same outer region, the measured CO temperature above the snow line decreases to $\approx$ 15 K because of the reduced gas density, which can result in a lower CO freeze-out temperature, photo-desorption, or deviations from local thermodynamic equilibrium.

研究动机与目标

• 开发一种模型无关的方法，用于测量原行星盘中CO辐射层的温度、速度和高度。
• 在不依赖复杂辐射转移或化学模型的前提下，直接约束盘面的垂直热结构和运动学结构。
• 利用ALMA数据的实证约束，确定IM Lupi周围盘面中CO雪线的位置。
• 研究次开普勒运动和温度梯度如何影响尘埃演化和盘面结构。
• 评估外部照射和密度效应在低密度外部盘区对CO冻结和发射的影响。

提出的方法

• 利用高光谱和高空间分辨率的ALMA观测数据，对12CO、13CO和C18O（2-1）跃迁进行逐通道映射。
• 通过通道图的几何分析，基于不对称性和束函数填充效应，直接测量CO辐射层的高度。
• 通过比较光学厚（12CO）和光学薄（13CO、C18O）跃迁的亮度温度，假设局部热动平衡，确定温度。
• 从通道图中的多普勒位移推断速度结构，并识别与开普勒旋转的偏离。
• 应用束函数去卷积和空间滤波，以隔离特定层的发射，避免束函数展宽效应。
• 通过将观测到的亮度温度与MCFOST模型预测进行比较，验证温度测量结果，假设T_ex = T_kin。

实验结果

研究问题

• RQ1 IM Lupi周围盘面中CO雪线的位置在哪里？其位置如何随半径变化？
• RQ2 盘面的垂直温度梯度如何？其随半径如何变化？
• RQ3 外盘中的气体速度是否为次开普勒？这对尘埃动力学有何含义？
• RQ4 气体密度和外部照射的变化如何影响外盘中CO的冻结和发射？
• RQ5 能否仅从ALMA数据直接映射CO辐射层，而无需依赖辐射转移或化学模型？

主要发现

• CO雪线在150至300 au范围内被直接映射至中平面以上约一个气体标高处，CO冻结温度为21±2 K。
• 盘面表现出向表面方向的径向温度升高和速度降低，与受照射的自相似盘模型一致。
• 在外盘（>300 au）中，气体速度显著呈现次开普勒特征，表明存在陡峭的压力梯度，可能驱动大颗粒尘埃高效向内迁移。
• 在雪线以上测量的CO温度在400 au处降低至约15 K，这可能是由于气体密度降低、冻结温度降低、光致脱附或偏离局部热动平衡所致。
• 在300 au以外缺乏毫米波连续发射，与次开普勒气体运动驱动的强向内尘埃迁移一致。
• 次开普勒速度场也可能表明外盘中存在外部照射导致的光致蒸发风的起点。