[论文解读] Spectral appearance of the planetary-surface accretion shock: Global spectra and hydrogen-line profiles and fluxes

Yuhiko Aoyama, Gabriel-Dominique Marleau+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 11被引用 13

一句话总结

本文开发了一种非平衡态、时变的非局部热动平衡（non-LTE）辐射流体动力学模型，用于预测行星表面吸积激波产生的氢线发射。结果表明，Hα光度随吸积速率单调增加，随行星质量略有增加。研究发现，行星表面激波在可探测性方面可能显著优于周围行星盘激波，并基于未探测到的观测结果对吸积速率提供了修正后的约束，挑战了从恒星吸积模型外推的结论。

ABSTRACT

Hydrogen-line emission from an accretion shock has recently been observed at planetary-mass objects. Our previous work predicted the shock spectrum and luminosity for a shock on the circumplanetary disc. We extend this to the planet-surface shock. We calculate the global spectral energy distribution (SED) of accreting planets by combining our model emission spectra with photospheric SEDs, and predict the line-integrated flux for several hydrogen lines, especially H alpha, but also H beta, Pa alpha, Pa beta, Pa gamma, Br alpha, and Br gamma. We apply our non-equilibrium emission model to the surface accretion shock for a wide range of accretion rates Mdot and masses M_p . Fits to formation calculations provide radii and effective temperatures. Extinction by the surrounding material is neglected, which is arguably often relevant. We find that the line luminosity increases monotonically with Mdot and M_p , depending mostly on Mdot and weakly on M_p for the relevant range of parameters. The Lyman, Balmer, and Paschen continua can exceed the photosphere. The H beta line is fainter by 0 to 1 dex than H alpha, whereas other lines are weaker (by 1 to 3 dex). Shocks on the planet or the CPD surface are distinguishable at very high spectral resolution, but the planet surface shock likely dominates if both are present. Applied to recent non-detections of H alpha, our models imply looser constraints on the Mdot of putative planets than when extrapolating fits from the stellar regime. These hydrogen-line luminosity predictions are useful for interpreting (non-)detections of accreting planets.

研究动机与目标

• 模拟行星表面吸积激波的光谱能量分布及氢线发射，与周围行星盘激波相区分。
• 通过避免对经典T Tauri星（CTTS）关系的未经验证外推，改进对原行星吸积速率的约束。
• 量化激波光度如何依赖于吸积速率与行星质量，尤其针对Hα、Hβ以及帕邢/布拉开线。
• 评估在高光谱分辨率下，行星表面激波与周围行星盘激波的可探测性差异。
• 提供一种物理解释充分、非平衡态的模型，适用于原行星吸积激波中瞬态、快速冷却的条件。

提出的方法

• 采用零维、时变、非局部热动平衡的拉格朗日辐射流体动力学模型，模拟受激波加热并伴随冷却、化学反应与辐射转移的气体。
• 将激波特发谱与光球谱能量分布（SED）结合，计算吸积行星的全局光谱能量分布（SED）。
• 采用非平衡态电离与能级布居模型，以考虑快速冷却效应，从而否定以往模型（如SH95）所依赖的平衡态假设。
• 利用行星形成模拟的拟合结果，确定行星半径与有效温度随质量与吸积速率的变化关系。
• 在激波参数（n₀, v₀）与行星质量的网格上，计算Hα、Hβ、Paα、Paβ、Paγ、Brα与Brγ的线积分通量。
• 忽略周围物质引起的消光，聚焦于内在激波特性的研究，以便与观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星表面吸积激波的氢线光度如何随吸积速率与行星质量变化？
• RQ2 在高光谱分辨率下，能否将行星表面激波的发射与周围行星盘的发射区分开？
• RQ3 预测的Hα光度与近期直接成像巡天中未探测到的观测结果相比如何？
• RQ4 基于标准CTTS的L_Hα–L_acc关系在原行星质量天体中，是否过度估计或错误表示吸积速率？
• RQ5 在原行星中，行星表面激波与周围行星盘激波对总Hα通量的相对贡献如何？

主要发现

• Hα光度随吸积速率单调增加，随行星质量略有增加，其中吸积速率是主导控制参数。
• Hβ线预测光度比Hα弱0–1 dex，而其他线（如Paα、Paβ等）则弱1–3 dex。
• 莱曼系、巴耳末系与帕邢系连续谱可超过光球连续谱，表明存在强烈的非光球发射。
• 若同时存在行星表面激波与周围行星盘激波，行星表面激波极可能是可探测Hα发射的主要贡献者。
• 未探测到Hα的观测结果表明，若从恒星吸积模型外推，对吸积速率的约束将比先前假设更宽松。
• 该模型表明，由于快速冷却，传统平衡态模型（如SH95）不适用，必须采用时变、非局部热动平衡处理才能获得准确结果。