[论文解读] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) VIII: CO Gap in AS 209--Gas Depletion or Chemical Processing?

Felipe Alarcón, Arthur D. Bosman+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 104被引用 35

一句话总结

本研究利用高分辨率ALMA数据和热化学模型，探究原行星盘AS 209中88 au处CO发射缺口的成因。结果表明，化学过程——特别是由于冻结或光致脱附导致的局部CO耗竭——比行星诱导的气体缺口更能解释观测到的CO柱密度降低。后者需要一个不切实际的高质质量行星（>0.2 M$_{\rm Jup}$），与尘埃和运动学约束不一致。

ABSTRACT

Emission substructures in gas and dust are common in protoplanetary disks. Such substructures can be linked to planet formation or planets themselves. We explore the observed gas substructures in AS 209 using thermochemical modeling with RAC2D and high-spatial resolution data from the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales(MAPS) program. The observations of C$^{18}$O J=2-1 emission exhibit a strong depression at 88 au overlapping with the positions of multiple gaps in millimeter dust continuum emission. We find that the observed CO column density is consistent with either gas surface-density perturbations or chemical processing, while C$_2$H column density traces changes in the C/O ratio rather than the H$_2$ gas surface density. However, the presence of a massive planet (> 0.2 M$_{Jup}$) would be required to account for this level of gas depression, which conflicts with constraints set by the dust emission and the pressure profile measured by gas kinematics. Based on our models, we infer that a local decrease of CO abundance is required to explain the observed structure in CO, dominating over a possible gap-carving planet present and its effect on the H$_2$ surface density. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement Series.

研究动机与目标

• 确定AS 209中观测到的CO发射缺口是否由行星引起的气体耗竭或局部化学过程所致。
• 检验CO丰度变化与H2面密度扰动在塑造亚结构中的退化关系。
• 评估C2H发射是否可作为活跃化学的示踪剂，并区分亚结构的物理解释与化学解释。
• 评估大质量行星情景与AS 209中尘埃连续谱缺口和气体运动学的一致性。
• 使用RAC2D模型模拟盘的热化学结构，比较不同物理假设下CO和C2H柱密度剖面。

提出的方法

• 利用MAPS计划中高空间分辨率的ALMA观测数据，获取C18O J=2–1和C2H谱线的~0.′′15分辨率数据。
• 采用RAC2D进行热化学建模，模拟两种情景下的盘化学与热结构：CO耗竭（模型A）和恒定CO丰度的气体缺口（模型B）。
• 构建模型以匹配观测到的CO柱密度，并比较预测的C2H柱密度、发射高度和运动学偏差。
• 改变小颗粒耗竭因子（10%、1%、0.1%），评估其对CO和C2H丰度剖面的影响。
• 分析气体运动学中的开普勒偏差，以约束H2面密度扰动。
• 使用Teague等人（2018）和Law等人（2021b）的发射层高度数据，验证模型的运动学和发射几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 AS 209中88 au处的CO发射缺口最合理的解释是行星诱导的气体缺口还是局部化学过程？
• RQ2 为重现观测到的CO柱密度降低，需要多大的CO丰度耗竭？
• RQ3 C2H发射能否作为活跃化学的诊断工具，特别是在气体密度较低或C/O比高的区域？
• RQ4 是否需要大质量行星（>0.2 M$_{\rm Jup}$）来解释CO缺口？该情景是否与尘埃和运动学约束一致？
• RQ5 CO与C2H垂直丰度分布的差异如何影响CO同位素的径向发射剖面？

主要发现

• AS 209中观测到的CO柱密度降低与局部CO丰度下降一致，与平滑面密度分布相比，CO丰度至少需耗竭47%。
• 若通过气体耗竭解释CO缺口，则需存在大质量行星（>0.2 M$_{\rm Jup}$），但此类行星与尘埃连续谱缺口和运动学约束不一致。
• C2H柱密度反映C/O比的变化，而非H2面密度，表明C2H发射对化学条件比对气体密度更敏感。
• 在模型A（CO耗竭）中，CO的垂直分布比模型B（气体缺口）更均匀，这可能导致CO同位素发射剖面的可观测差异。
• 在小颗粒耗竭区域，C2H更靠近中平面生成；模型B中由于紫外线穿透更深且气相反应减少，C2H在较低高度处丰度更高。
• 开普勒偏差分析显示，内100 au区域的偏差仅约1%，排除了59 au处H2显著耗竭的可能性，也削弱了大质量行星导致CO缺口的解释。