[论文解读] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIX. Spiral Arms, a Tail, and Diffuse Structures Traced by CO around the GM Aur Disk

Jane Huang, Edwin A. Bergin+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 174被引用 65

一句话总结

本研究基于ALMA对GM Aur原行星盘周围12CO J=2−1发射的高分辨率观测，揭示了复杂的大尺度气体结构——包括延伸至1200 au的螺旋形拱形臂、向西南方向延伸1800 au的尾状结构，以及延伸至1900 au的弥散北部结构——与轴对称的毫米波连续成分形成鲜明对比。这些特征表明外部包层或云团物质仍在持续发生后期吸积，挑战了孤立、轴对称盘演化假设，并将GM Aur的形态与Taurus星协中其他类似系统（如SU Aur和AB Aur）的环境相互作用联系起来。

ABSTRACT

The concentric gaps and rings commonly observed in protoplanetary disks in millimeter continuum emission have lent the impression that planet formation generally proceeds within orderly, isolated systems. While deep observations of spatially resolved molecular emission have been comparatively limited, they are increasingly suggesting that some disks interact with their surroundings while planet formation is underway. We present an analysis of complex features identified around GM Aur in $^{12}$CO $J=2-1$ images at a spatial resolution of $\sim40$ au. In addition to a Keplerian disk extending to a radius of $\sim550$ au, the CO emission traces flocculent spiral arms out to radii of $\sim$1200 au, a tail extending $\sim1800$ au southwest of GM Aur, and diffuse structures extending from the north side of the disk up to radii of $\sim1900$ au. The diffuse structures coincide with a "dust ribbon" previously identified in scattered light. The large-scale asymmetric gas features present a striking contrast with the mostly axisymmetric, multi-ringed millimeter continuum tracing the pebble disk. We hypothesize that GM Aur's complex gas structures result from late infall of remnant envelope or cloud material onto the disk. The morphological similarities to the SU Aur and AB Aur systems, which are also located in the L1517 cloud, provide additional support to a scenario in which interactions with the environment are playing a role in regulating the distribution and transport of material in all three of these Class II disk systems. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究动机与目标

• 在高空间分辨率下研究GM Aur原行星盘周围CO气体发射的形态与运动学，以识别非轴对称结构。
• 确定观测到的大尺度气体特征（如螺旋臂、尾状结构及弥散北部结构）是否与盘演化模型一致，或更可能源于外部环境相互作用。
• 将非轴对称的CO气体结构与轴对称的毫米波连续成分亚结构进行对比，凸显气体与尘埃形态之间的脱耦现象。
• 通过与L1517星云中类似系统（如SU Aur和AB Aur）的比较，探讨这些复杂结构的起源，评估外部吸积在盘演化中的作用。

提出的方法

• 利用ALMA在MAPS大型计划中获取了高灵敏度、高角分辨率（≈40 au）的12CO J=2−1数据。
• 基于恒星质量M*=1.1 M⊙、气体压梯度及温度分布T(r) ∝ r−0.608的静力平衡盘模型，构建了开普勒盘的等速度轮廓。
• 通过gofish和keplerian_mask Python工具包应用开普勒掩模，以分离旋转盘的发射，从而实现与非开普勒特征的区分。
• 采用arcsinh颜色拉伸及5–35σ等值线叠加，增强通道图中微弱发射的可见性。
• 利用盘面密度分布Σg(r) ∝ r−1 exp(−r/176 au)和标高H(r) ∝ r1.35，建模气体密度与压强标高。
• 通过vlos = vsys + vϕ cosϕ sin i计算视线速度，其中i=53.21°，vsys=5.61 km s−1，将像素位置映射至盘坐标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚角秒分辨率下，GM Aur周围CO发射中存在哪些大尺度非轴对称气体结构？
• RQ2 CO气体结构的运动学与形态学特征如何与盘的开普勒旋转及轴对称尘埃连续成分环状结构相比较？
• RQ3 观测到的螺旋臂、尾状结构及弥散北部结构的起源是什么？
• RQ4 这些观测特征在多大程度上表明外部物质（如残余包层或云团物质）仍在持续吸积？
• RQ5 GM Aur与SU Aur和AB Aur在形态上的相似性，如何支持环境吸积在L1517星云中盘演化中起关键作用的共同影响？

主要发现

• 12CO J=2−1发射显示，螺旋形拱形臂延伸至约1200 au的半径，表明存在非开普勒气体运动。
• 一个明显的尾状结构从GM Aur向西南方向延伸约1800 au，其速度与位置均与主盘存在偏移，暗示其具有动力学起源。
• 在盘的北部区域，可追踪到延伸至约1900 au的弥散、扩展结构，与先前在散射光中识别出的尘埃丝带位置一致。
• 大尺度气体特征在形态上呈非对称性，且在运动学上明显区别于仅延伸至约550 au的开普勒盘。
• CO发射形态与轴对称、多环状的毫米波连续成分结构形成强烈对比，表明气体与尘埃亚结构之间存在脱耦。
• 与SU Aur和AB Aur在形态上的相似性——两者均位于L1517星云——支持一种情景：即环境吸积在塑造II类盘中气体分布与输运方面发挥着关键作用。