[论文解读] Carbon depletion observed inside T Tauri inner rims: Formation of icy, kilometer size planetesimals by 1 Myr

M. K. McClure|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Oct 14, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用 9

一句话总结

本研究利用近红外光谱和光致电离模型测量了26颗金牛座T型变星内盘中的碳丰度，发现在三个系统中碳的缺失程度高达42倍。结果表明，挥发性碳被封存在100万年内形成的千米级冰质小行星中，与径向迁移和雪线外高效的颗粒增长一致。

ABSTRACT

The carbon content of protoplanetary disks is an important parameter to characterize planets formed at different disk radii. There is some evidence from far-infrared and submillimeter observations that gas in the outer disk is depleted in carbon, with a corresponding enhancement of carbon-rich ices at the disk midplane. Observations of the carbon content inside of the inner sublimation rim could confirm how much carbon remains locked in kilometer size bodies in the disk. Using near-infrared spectra, I self-consistently determine the stellar, extinction, veiling, and accretion properties of the 26 stars in my sample. From these values, I extract the inner disk excess of the target stars and identify a series of C^0 recombination lines in 18 of these disks and use the CHIANTI atomic line database with an optically thin slab model to constrain the average n_e, T_e, and n_C for these lines in the five disks with a complete set of lines. By comparing these values with other slab models of the inner disk using the Cloudy photoionization code, I also constrain n_H and the carbon abundance, X_C, and hence the amount of carbon `missing' from the slab. The inner disks are extremely dense (n_H~10^{16} cm^{-3}), warm (T_e~4500 K), and moderately ionized (logX_e~3.3). Three of the five modeled disks show robust carbon depletion <=42 relative to the solar value. I discuss multiple ways in which the `missing' carbon could be locked out of the accreting gas. Given the high-density inner disk gas, evidence for radial drift, and lack of obvious gaps in these three systems, their carbon depletion is most consistent with the `missing' carbon being sequestered in kilometer size bodies. For DR Tau, nitrogen and silicon are also depleted by factors of 45 and 4, respectively, suggesting that the kilometer size bodies into which the grains are locked were formed beyond the N_2 snowline.

研究动机与目标

• 确定金牛座T型变星内盘气体中的碳丰度，特别是尘埃亚亚升华边界以内的区域，该区域的气体预计为光学薄。
• 通过测量气相碳相对于太阳丰度的缺失程度，探究原行星盘中挥发性碳的归宿。
• 评估内盘中碳的缺失是否由于碳被封存在不断增长的固态物质中，特别是千米级小行星。
• 探讨径向迁移与颗粒增长在雪线外将碳锁入固态物质中的作用。
• 通过吸积流中的元素丰度（C、Si、N）推断形成小行星的成分。

提出的方法

• 利用GAIA DR2距离，获取26颗金牛座T型变星的中等分辨率近红外（0.8–2.5 μm）光谱，以推导恒星参数、消光、遮蔽度和吸积特性。
• 通过从观测光谱中减去非吸积金牛座T型变星的光谱模板，提取内盘过剩发射。
• 在18个盘中识别出C ii复合线，并使用CHIANTI原子线数据库和光学薄平板模型，约束电子密度（ne）、电子温度（Te）和碳数密度（nC）。
• 应用Cloudy光致电离代码对内盘平板进行建模，推导氢密度（nH）、电子分数（Xe）和碳丰度（XC），以量化碳的缺失程度。
• 对于DR Tau，利用文献中吸积流中Si和N的相对丰度，推断元素的缺失程度。
• 利用干涉测量和SED建模数据得到的H β、CO和尘埃亚亚升华半径，评估C ii发射的径向范围，为碳丰度设定保守的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 与太阳丰度相比，金牛座T型变星内盘气体相中的碳缺失程度如何？
• RQ2 哪些物理过程可以解释内盘气体中观测到的碳缺失？
• RQ3 缺失的碳是否与通过径向迁移和颗粒增长形成的千米级冰质小行星中的封存一致？
• RQ4 吸积流中硅和氮的元素缺失是否与在氮冰线外形成的小行星一致？
• RQ5 平板几何结构和电离结构的不确定性如何影响推断的碳丰度？

主要发现

• 所建模的内盘极为致密（nH ~ 10¹⁶ cm⁻³），温度较高（Te ~ 4,500 K），且中等程度电离（log Xe ~ 3.3）。
• 在五个建模盘中的三个表现出显著的碳缺失，气相碳丰度相对于太阳丰度降低了最多42倍。
• 观测到的碳缺失最符合碳被锁在通过径向迁移和颗粒增长形成的千米级小行星中的解释。
• 对于DR Tau，氮和硅的缺失程度分别为45倍和4倍，表明在氮冰线外形成的小行星中也存在元素缺失。
• 内盘气体的高密度、高温和电离条件支持使用光学薄平板模型分析C ii线的合理性。
• 本研究证明，内盘中的碳缺失可作为早期小行星形成和挥发性物质封存的示踪指标，时间尺度约为1 Myr。