[论文解读] ALMA observations of the nearby AGB star L$_{ m 2}$ Puppis. II. Gas disk properties derived from $^{ m 12}$CO and $^{ m13}$CO $J=$3$-$2 emission

W. Homan, A. M. S. Richards+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 73被引用 20

一句话总结

本研究利用ALMA对邻近的AGB星L2 Puppis进行的高分辨率12CO和13CO J=3-2观测，对围绕该恒星的气体盘进行三维非-LTE辐射转移建模。结果揭示了一个具有不同速度旋转、边缘朝向的盘，其径向H2密度分布指数为-3.1，12CO/13CO丰度比为10，盘质量约为~2×10⁻⁴ M☉。推导出的角动量远超恒星本身，强烈支持存在一个约1木星质量的伴星作为盘形成与动力学的来源。

ABSTRACT

The circumstellar environment of the AGB star L$_{ m 2}$ Puppis was observed with ALMA in cycle 3, with a resolution of $15 imes 18 m\ mas$. The molecular emission shows a differentially rotating disk, inclined to a nearly edge-on position. In the first paper in this series (paper I) the molecular emission was analysed to accurately deduce the motion of the gas in the equatorial regions of the disk. In this work we model the optically thick $^{ m 12}$CO $J=$3$-$2 and the optically thin $^{ m 13}$CO $J=$3$-$2 rotational transition to constrain the physical conditions in the disk. To realise this effort we make use of the 3D NLTE radiative transfer code { t LIME}. The temperature structure and velocity structure show a high degree of complexity, both radially and vertically. The radial H$_{ m 2}$ density profile in the disk plane is characterised by a power law with a slope of $-3.1$. We find a $^{ m 12}$CO over $^{ m 13}$CO abundance ratio of 10 inside the disk. Finally, estimations of the angular momentum in the disk surpass the expected available angular momentum of the star, strongly supporting the indirect detection of a compact binary companion reported in paper I. We estimate the mass of the companion to be around 1 Jupiter mass.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ALMA数据约束L2 Puppis周围包周气体盘的物理结构。
• 通过建模12CO和13CO J=3-2发射的三维非-LTE辐射转移，推导温度、密度、速度和丰度分布。
• 研究盘的起源与动力学，特别是假设存在的双星伴星在角动量转移与盘形成中的作用。
• 确定12CO与13CO的分子丰度比，评估盘的质量与演化状态。
• 检验观测到的盘角动量是否可由恒星本身的角动量解释，或是否需要伴星的存在。

提出的方法

• 使用LIME代码进行三维非-LTE辐射转移建模，以模拟观测到的12CO和13CO J=3-2发射。
• 利用CASA工具对ALMA可见度数据进行数据还原与后处理。
• 假设盘为薄层、垂直方向等温、非自引力的盘，处于流体静力平衡状态，且具有幂律径向密度分布。
• 通过反演观测的通道图，推导三维速度场、温度结构与密度分布。
• 采用分段函数拟合径向与垂直温度分布，分为三个区域：内盘、外盘与冷的外缘。
• 通过积分推导出的H2密度与速度结构，估算盘的质量与角动量。

实验结果

研究问题

• RQ1 L2 Puppis周围气体盘的三维温度与密度结构如何？其径向与垂直方向如何变化？
• RQ2 气体的径向速度分布如何？在外盘区域是否表现出开普勒或次开普勒运动？
• RQ3 盘中12CO与13CO的丰度比是多少？这对气体起源有何启示？
• RQ4 观测到的盘角动量与中心恒星的本征角动量相比如何？
• RQ5 观测到的盘结构与动力学可由单颗恒星解释，还是必须依赖双星伴星的存在？

主要发现

• 盘平面的径向H2密度分布遵循幂律，斜率为-3.1，表明存在强烈的径向集中。
• 12CO与13CO的丰度比为10，与其它富氧化物的AGB星一致，表明气体可能源自恒星本身。
• 盘质量估算约为2×10⁻⁴ M☉，基于约束的密度结构得出。
• 盘的角动量超过恒星本征角动量的30倍以上，表明存在外部角动量源。
• 需要一个约1木星质量的伴星来解释观测到的角动量，支持先前论文中报告的间接探测结果。
• 温度结构显示：内盘径向温度急剧下降（6 AU内从1000 K降至500 K），随后出现平台区，并在盘外缘（23 AU）急剧降至100 K以下，且内盘存在显著的垂直分层结构。