[论文解读] A highly non-Keplerian protoplanetary disc: Spiral structure in the gas disc of CQ Tau

Lisa Wölfer, Stefano Facchini+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 8, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究利用高分辨率ALMA观测了CQ Tau原行星盘的12CO亮度温度和速度残差中的非开普勒气体运动，揭示了多个大尺度螺旋结构。这些螺旋结构在形态上与近红外散射光特征相连接，范围为10–180 au，表明存在一个质量较大的嵌入式伴星，可能位于25 au以内，支持行星-盘相互作用是盘亚结构起源的解释。

ABSTRACT

In the past years, high angular resolution observations have revealed that circumstellar discs appear in a variety of shapes with diverse substructures being ubiquitous. This has given rise to the question of whether these substructures are triggered by planet-disc interactions. Besides direct imaging, one of the most promising methods to distinguish between different disc shaping mechanisms is to study the kinematics of the gas disc. In particular, the deviations of the rotation profile from Keplerian velocity can be used to probe perturbations in the gas pressure profile that may be caused by embedded planets. In this paper we aim to analyze the gas brightness temperature and kinematics of the transitional disc around the CQ Tau star in order to resolve and characterize substructure in the gas, caused by possible perturbers. For our analysis we use spatially resolved ALMA observations of 12CO, 13CO and C18O (J=2-1). We further extract robust line centroids for each channel map and fit a number of Keplerian disc models to the velocity field. The gas kinematics of the CQ Tau disc present non-Keplerian features, showing bent and twisted iso-velocity curves in 12CO and 13CO. Significant spiral structures are detected between 10-180 au in both the brightness temperature and the rotation velocity of 12CO after subtraction of an azimuthally symmetric model, which may be tracing planet-disc interactions with an embedded planet or low-mass companion. We identify three spirals, two in the brightness temperature and one in the velocity residuals, spanning a large azimuth and radial extent. The brightness temperature spirals are morphologically connected to spirals observed in NIR scattered light in the same disc, indicating a common origin. Together with the observed large dust and gas cavity, the spirals support the hypothesis of a massive embedded companion in the CQ Tau disc.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ALMA数据，研究CQ Tau过渡盘中的气体运动学与亚结构。
• 确定观测到的开普勒旋转偏离是否由行星-盘相互作用引起，或由其他机制导致。
• 表征气体盘中螺旋结构的形态与空间范围，并将其与尘埃及散射光特征关联。
• 通过非开普勒速度场与残差分析，约束潜在大质量伴星的存在与位置。
• 评估束斑弥散与遮挡效应对盘中亮度 dips 解释的影响。

提出的方法

• 获取了CQ Tau方向12CO、13CO与C18O（J=2–1）发射线的空间分辨ALMA观测数据。
• 从每个信道图中提取稳健的线轮廓中心，以重建气体盘的三维速度场。
• 对观测速度场拟合多个开普勒盘模型，以识别与开普勒旋转的偏离。
• 从数据中减去方位对称模型，以分离出如亮度温度与速度残差中的非轴对称特征（如螺旋结构）。
• 将气体螺旋结构的形态与现有的近红外散射光图像进行比较，以评估其共同起源。
• 对DALI流体动力学模型进行后期处理，以检验亮度 dips 是否由束斑弥散引起，而非物理上的温度或密度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 CQ Tau盘中观测到的非开普勒速度特征是否与一个嵌入式大质量行星或伴星的扰动一致？
• RQ2 气体盘中的螺旋结构（12CO亮度温度与速度）是否与近红外散射光中观测到的螺旋结构对齐，表明其具有共同起源？
• RQ3 螺旋结构的径向与方位范围如何？它们是否支持如行星激发的螺旋波等动力学起源？
• RQ4 观测到的盘中亮度 dips 是否可由束斑弥散解释，而非物理上的温度或密度变化？
• RQ5 运动学偏离与螺旋形态如何约束内盘中潜在伴星的位置与质量？

主要发现

• 在12CO与13CO速度场中检测到显著的非开普勒偏离，等速度线发生弯曲与扭转，表明存在强烈扰动。
• 识别出三条明显的螺旋结构：两条位于12CO亮度温度中，一条位于速度残差中，其范围为10–180 au，具有较大的螺旋角。
• 气体盘中的螺旋特征在形态上与先前观测到的近红外散射光中的螺旋结构相连，表明其具有共同的动力学起源。
• 大尺度尘埃空洞（~50 au）与气体空洞（~20 au）同时存在，加上螺旋结构，支持存在一个质量较大的嵌入式伴星，位于~25 au以内。
• 西北与东南区域的亮度 dips 主要由束斑弥散引起，尽管螺旋或非共面盘区域可能也导致部分遮挡效应。
• 盘的运动学显著偏离开普勒旋转，必须采用非开普勒模型才能准确描述，未来需更高分辨率数据与三维建模以进一步约束。