[论文解读] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). XV. Tracing protoplanetary disk structure within 20 au

Arthur D. Bosman, Edwin A. Bergin+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 102被引用 39

一句话总结

本研究利用MAPS计划的高分辨率ALMA观测，通过CO同位素谱线翼探测原行星盘内20 au范围内的气体和尘埃结构，借助开普勒运动学实现约3 au的有效分辨率。研究揭示了IM Lup和GM Aur中气体与尘埃质量比小于10的尘埃堆积现象，表明尘埃高效漂移并可能触发流体不稳定性；径向表面亮度剖面显示，AS 209和HD 163296中存在富含气体的空洞和低气体环，且与尘埃结构相关联。

ABSTRACT

Constraining the distribution of gas and dust in the inner 20 au of protoplanetary disks is difficult. At the same time, this region is thought to be responsible for most planet formation, especially around the water ice line at 3-10 au. Under the assumption that the gas is in a Keplerian disk, we use the exquisite sensitivity of the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) ALMA large program to construct radial surface brightness profiles with a ~3 au effective resolution for the CO isotopologue J=2-1 lines using the line velocity profile. IM Lup reveals a central depression in 13CO and C18O that is ascribed to a pileup of ~500 $M_\oplus$ of dust in the inner 20 au, leading to a gas-to-dust ratio of around <10. This pileup is consistent with efficient drift of grains ($\gtrsim$ 100 $M_\oplus$ Myr$^{-1}$) and a local gas-to-dust ratio that suggests that the streaming instability could be active. The CO isotopologue emission in the GM Aur disk is consistent with a small (~15 au), strongly depleted gas cavity within the ~40 au dust cavity. The radial surface brightness profiles for both the AS 209 and HD 163296 disks show a local minimum and maximum in the C18O emission at the location of a known dust ring (~14 au) and gap (~10 au), respectively. This indicates that the dust ring has a low gas-to-dust ratio ($>$ 10) and that the dust gap is gas-rich enough to have optically thick C18O.

研究动机与目标

• 绘制原行星盘内20 au范围内气体和尘埃的径向分布，该区域对行星形成至关重要，但观测上极具挑战性。
• 通过高分辨率谱线运动学推断表面亮度剖面，克服标准成像在分辨率和灵敏度上的限制。
• 通过分析CO同位素发射谱线轮廓，确定内盘中气体与尘埃质量比及径向漂移效率。
• 研究多个盘中尘埃结构（环和空隙）与底层气体形态之间的关联。
• 评估高尘埃浓度区域且气体与尘埃质量比低的条件下，流体不稳定性与岩石颗粒吸积的潜在可能性。

提出的方法

• 利用MAPS大型项目提供的高 spectral 分辨率（R > 10^6）ALMA数据，提取CO同位素（13CO J=2–1，C18O J=2–1）的谱线轮廓。
• 应用开普勒旋转模型，将视线方向的速度结构分解为径向表面亮度剖面。
• 通过分析CO谱线翼部，构建有效分辨率为~3 au的径向表面亮度剖面。
• 将观测到的CO发射特征（峰值、凹陷、空洞）与ALMA成像获得的已知尘埃连续谱结构进行比较。
• 通过将13CO和C18O发射的中心凹陷建模为尘埃堆积，估算尘埃质量与气体与尘埃质量比。
• 利用运动学建模推断径向漂移速率，并评估流体不稳定性有利条件（如气体与尘埃质量比低、尘埃质量高）。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘内20 au范围内的气体与尘埃的径向分布如何？其与行星形成区的关系是什么？
• RQ2 CO同位素谱线翼能否揭示在标准CLEAN图像中无法分辨的亚结构（如空隙、环、空洞）？
• RQ3 内盘中的气体与尘埃质量比是多少？是否支持流体不稳定性机制的运行？
• RQ4 在AS 209和HD 163296等盘中，尘埃结构（如环和空隙）与底层气体分布如何相关？
• RQ5 IM Lup和GM Aur中观测到的CO发射中心凹陷由何引起？其对尘埃演化意味着什么？

主要发现

• 基于CO同位素谱线翼推导出的径向表面亮度剖面揭示了多个盘中此前未被分辨的特征，如空隙、峰值和中心凹陷。
• 在IM Lup中，13CO和C18O发射在20–30 au处出现中心凹陷，表明20 au内存在约500 M⊕的尘埃堆积，暗示气体与尘埃质量比<10，且径向漂移速率>100 M⊕ Myr⁻¹。
• 在GM Aur中，12CO、13CO和C18O发射出现中心空洞，与已知的尘埃空洞一致，且12CO在15 au内仍保持光学薄状态。
• 在AS 209和HD 163296中，最内层的尘埃环与C18O表面亮度的下凹相对应，而环内侧空隙区域的C18O发射增强，表明环中气体与尘埃质量比低，而空隙中气体光学厚度高。
• MWC 480中CO同位素发射显示10 au处13CO和C18O表面亮度出现强烈且无法解释的波动，暗示存在尚未被解释的复杂局部结构。
• 13CO和C18O的J=1–0与J=2–1谱线表现出一致的线翼发射，表明低频谱线并未比高频谱线探测到更深的盘中平面。