[論文レビュー] Quantifying the gas inside dust cavities in transitional disks: implications for young planets

E. F. van Dishoeck, Nienke van der Marel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ALMA観測とDALI熱化学コードを用いて、4つの遷移的円盤のガスおよびダスト構造を分析した。その結果、ガスがダストの空洞内でも低密度（最大10,000倍まで低下）で存在していることが判明し、これは光駆動蒸発や粒子成長ではなく、惑星による空洞形成を示している。特にCO同素体の深刻なガス欠損は、10–15 M_Jupの質量を有する1体以上の巨大な同伴天体が空洞を形成していることを示唆している。

ABSTRACT

ALMA observations of a small sample of transitional disks with large dust cavities observed in Cycle 0 and 1 are summarized. The gas and dust surface density structures are inferred from the continuum and 12CO, 13CO and C18O line data using the DALI physical-chemical code. Thanks to its ability to self-shield, CO can survive inside dust cavities in spite of being exposed to intense UV radiation and can thus be used as a probe of the gas structure. Modeling of the existing data shows that gas is present inside the dust cavities in all cases, but at a reduced level compared with the gas surface density profile of the outer disk. The gas density decrease inside the dust cavity radius by factors of up to 10^4 suggests clearing by one or more planetary-mass companions. The accompanying pressure bumps naturally lead to trapping of the mm-sized dust grains observed in the ALMA images.

研究の動機と目的

• ALMA観測を用いて、遷移的円盤内のダスト空洞内における冷たい分子ガスの分布を定量的に評価すること。
• 空洞内のガス欠損が、光駆動蒸発、粒子成長、または惑星移動と整合するかを特定すること。
• 圧力バウンダリーとダストトラッピングの役割が円盤構造に与える影響を評価すること。
• ガスおよびダストの形態から、見えない惑星同伴の存在と性質を推定すること。
• CO同素体と放射線輸送モデリングを用いて、ガス表面密度プロファイルおよび空洞の深さを制約すること。

提案手法

• 4つの遷移的円盤におけるダストおよびガス線源の放射をマッピングするために、ALMA Band 7およびBand 9の連続スペクトルおよびラインデータ（12CO, 13CO, C18O J=6–5および3–2）を用いた。
• DALI物理化学コードを用いて、完全な連続スペクトル放射線輸送によりダスト温度をモデル化し、分子化学を用いてガスの加熱・冷却バランスを計算した。
• 非局所熱平衡（non-LTE）における分子励起およびライン放射線輸送を、ガス温度および分子豊度を入力として計算した。
• 可変パラメータδ_gasを有するパラメトリックガス密度モデルを適用し、ダスト空洞内におけるガス表面密度を調整した。
• CO自己遮蔽を組み込み、UV露出領域におけるCOの生存を可能にし、ガスの探査を可能にした。
• 観測画像およびスペクトルエネルギー分布へのモデル適合を用いて、ガスおよびダストの表面密度プロファイルを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移的円盤のダスト空洞内には分子ガスが存在するのか。また、その密度レベルはどの程度か？
• RQ2 光駆動蒸発、粒子成長、または惑星同伴が、観測されたガスおよびダストの形態を最もよく説明するメカニズムは何か？
• RQ3 観測されたCO同素体ラインプロファイルは、ガス空洞の深さと鋭さをどのように制限するか？
• RQ4 ガスとダストの組み合わせデータは、惑星誘発の圧力バウンダリーと、円盤不安定性に起因するものとを区別できるか？
• RQ5 ガス密度の低下に基づいて、埋め込まれた惑星同伴の推定質量および軌道的特徴は何か？

主な発見

• 本研究で対象とした4つのすべての遷移的円盤において、ダスト空洞内にガスが検出された。ガス表面密度は外側の円盤と比較して最大10,000倍まで低下している。
• ガス空洞半径（r_cav,gas ≈ 30 AU）はダスト空洞半径（r_cav,dust ≈ 40 AU）よりも小さいため、異なる速度での空洞形成が示唆される。
• CO同素体（13CO, C18O）は12COよりも深刻なガス密度低下を示しており、以前に推定されたよりも深刻な欠損が存在することを示唆している。
• 深刻なガス欠損は、光駆動蒸発または粒子成長だけでは説明できないため、惑星による空洞形成が支配的メカニズムであると示唆される。
• Oph IRS 48では、強いガス低下と渦構造の両方が観測されたため、低粘性円盤内に10–15 M_Jupの巨大な惑星が存在すると考えられる。
• 空洞サイズとδ_gasの間にはモデルのデゲネラシー（不確かさ）があるため、CO同素体の高分解能ALMAデータが得られない限り、惑星質量の正確な制約は困難である。