[论文解读] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XVII: Determining the 2D Thermal Structure of the HD 163296 Disk

Jenny K. Calahan, Edwin A. Bergin+27 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 131被引用 37

一句话总结

本研究利用空间分辨的ALMA观测数据，对赫比格Ae型恒星HD 163296周围的原行星盘的二维热结构进行了测定，观测对象包括CO同位素分子（12CO J=2-1，13CO J=1-0/2-1，C18O J=1-0/2-1，C17O J=1-0）以及HD J=1-0的通量上限。通过热化学代码RAC2D，模型引入了径向CO耗尽（ timescale ~0.01 Myr）和增强的表面层温度（z/r ≥ 0.21），得出的盘质量上限为0.35 M⊙，并表明间隙仅使气体温度升高5–10%。

ABSTRACT

Understanding the temperature structure of protoplanetary disks is key to interpreting observations, predicting the physical and chemical evolution of the disk, and modeling planet formation processes. In this study, we constrain the two-dimensional thermal structure of the disk around Herbig Ae star HD 163296. Using the thermo-chemical code RAC2D, we derive a thermal structure that reproduces spatially resolved ALMA observations (~0.12 arcsec (13 au) - 0.25 arcsec (26 au)) of CO J = 2-1, 13CO J = 1-0, 2-1, C18O J = 1-0, 2-1, and C17O J = 1-0, the HD J = 1-0 flux upper limit, the spectral energy distribution (SED), and continuum morphology. The final model incorporates both a radial depletion of CO motivated by a time scale shorter than typical CO gas-phase chemistry (0.01 Myr) and an enhanced temperature near the surface layer of the the inner disk (z/r <= 0.21). This model agrees with the majority of the empirically derived temperatures and observed emitting surfaces derived from the J = 2-1 CO observations. We find an upper limit for the disk mass of 0.35 Msun, using the upper limit of the HD J = 1-0 and J = 2-1 flux. With our final thermal structure, we explore the impact that gaps have on the temperature structure constrained by observations of the resolved gaps. Adding a large gap in the gas and small dust additionally increases gas temperature in the gap by only 5-10%. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ALMA观测数据，约束HD 163296原行星盘的二维热结构。
• 通过引入非理想物理过程（如CO耗尽和局域加热），解决观测到的CO发射轮廓与先前模型之间的差异。
• 构建一个自洽的热模型，能够重现空间分辨的CO谱线发射、连续成分形态、谱能分布（SED）以及HD通量上限。
• 评估盘中间隙对热结构的影响，特别是对气体温度分布的影响。
• 利用HD J=1-0通量上限和推导出的热结构，得出盘质量的稳健上限。

提出的方法

• 采用热化学代码RAC2D对盘的二维热结构进行建模，求解温度和分子丰度分布。
• 使用ALMA对12CO J=2-1、13CO J=1-0/2-1、C18O J=1-0/2-1和C17O J=1-0跃迁的高空间分辨率观测数据作为主要约束条件。
• 结合ALMA观测的HD J=1-0通量上限，以约束盘表面层中温暖分子气体的质量和温度。
• 将模型拟合至观测的谱能分布（SED）和毫米波连续成分形态，以锚定尘埃和气体质量的约束。
• 系统性地调整模型参数，包括CO耗尽 timescale、表面加热、气体质量、尘埃质量、表面密度指数、盘的翘曲程度以及外半径，以寻找最佳拟合配置。
• 通过与所有CO同位素分子的观测径向发射轮廓进行对比，验证最终模型的一致性，确保多种诊断手段之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于多线、空间分辨的ALMA观测，HD 163296盘的二维（径向与垂直方向）热结构是什么？
• RQ2 CO耗尽（timescale ~0.01 Myr）和增强的表面层加热（z/r ≥ 0.21）如何影响模型对观测CO谱线强度的拟合效果？
• RQ3 基于HD J=1-0通量上限和热结构，推导出的盘质量上限是多少？
• RQ4 在10、48和86 au处存在的间隙如何影响局部气体温度，特别是在间隙区域？
• RQ5 盘参数（如气体质量、尘埃质量、外半径、表面密度指数）的变化如何影响模型重现观测谱线轮廓的能力？

主要发现

• 最佳拟合模型引入了0.01 Myr的径向CO耗尽 timescale 和增强的表面层加热（z/r ≥ 0.21），显著改善了与观测CO谱线强度及辐射表面区域的一致性。
• 该模型以高保真度重现了12CO J=2-1、13CO J=1-0/2-1、C18O J=1-0/2-1和C17O J=1-0在50–350 au范围内的观测径向发射轮廓。
• 基于HD J=1-0通量上限和热结构，推导出的盘质量上限为0.35 M⊙。
• 在气体和小颗粒尘埃中加入大间隙后，仅使间隙区域的气体温度升高5–10%，表明间隙对热结构的扰动极小。
• 该模型预测的温度结构在300 au以外比ProDiMo模型更冷，尤其在外盘区域，且更符合观测到的12CO J=2-1发射轮廓。
• 与ProDiMo模型的差异归因于气体质量假设不同（本研究为0.14 M⊙，ProDiMo为0.58 M⊙）、尘气比以及内盘加热假设的差异。