[论文解读] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales. XX. The Massive Disk Around GM Aurigae

Kamber R. Schwarz, Jenny K. Calahan+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 101被引用 45

一句话总结

本研究利用高分辨率ALMA和Herschel观测数据，对GM Aurigae周围大质量原行星盘的气体和尘埃结构进行建模。研究得出总气体质量约为0.2 M⊙，揭示在100 au以外存在强烈的CO耗竭现象，并发现在70–100 au区域尽管整体盘面稳定，仍存在引力不稳定性，为理解盘面演化与行星形成过程提供了新见解。

ABSTRACT

Gas mass remains one of the most difficult protoplanetary disk properties to constrain. With much of the protoplanetary disk too cold for the main gas constituent, H2, to emit, alternative tracers such as dust, CO, or the H2 isotopolog HD are used. However, relying on disk mass measurements from any single tracer requires assumptions about the tracer's abundance relative to \hh\ and the disk temperature structure. Using new Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations from the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) ALMA Large Program as well as archival ALMA observations, we construct a disk physical/chemical model of the protoplanetary disk GM Aur. Our model is in good agreement with the spatially resolved CO isotopolog emission from eleven rotational transitions with spatial resolution ranging from 0.15'' to 0.46'' (24-73 au at 159 pc) and the spatially unresolved HD J=1-0 detection from Herschel. Our best-fit model favors a cold protoplanetary disk with a total gas mass of approximately 0.2 solar masses, a factor of 10 reduction in CO gas inside roughly 100 au and a factor of 100 reduction outside of 100 au. Despite its large mass, the disk appears to be on the whole gravitationally stable based on the derived Toomre Q parameter. However, the region between 70 and 100 au, corresponding to one of the millimeter dust rings, is close to being unstable based on the calculated Toomre Q of <1.7. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究动机与目标

• 约束GM Aurigae周围大质量原行星盘的真实气体质量，这是难以直接测量的关键参数。
• 通过建模盘面的物理与化学结构，解决由尘埃与CO估算的气体质量之间的差异。
• 利用Toomre Q参数评估引力稳定性，尤其关注观测到尘埃环区域的稳定性。
• 研究CO冻结、光致离解及非热解吸在塑造CO丰度分布中的作用。
• 通过结合多示踪观测（CO同位素、HD、尘埃连续谱）与自洽盘模型，改进气体质量估算。

提出的方法

• 利用空间分辨的ALMA观测数据，对11条CO同位素跃迁线（0.15–0.46′′分辨率）进行分析，以绘制气体温度与柱密度分布。
• 结合Herschel对未分辨HD J=1–0线的探测结果，约束温暖、内盘区域的气体质量。
• 整合档案ALMA CO数据与新的MAPS计划观测数据，对盘面的三维密度与温度结构进行建模。
• 构建一个物理/化学盘模型，考虑中平面CO冻结、上层大气光致离解及非热解吸过程。
• 基于建模的气体密度与温度分布，计算Toomre Q参数以评估引力稳定性。
• 通过与毫米波尘埃连续谱的间隙与环状结构对比，验证模型，并将动力学不稳定性与观测到的亚结构联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 GM Aurigae盘的真实总气体质量是多少？与仅基于尘埃或CO估算的结果相比如何？
• RQ2 CO丰度变化（尤其是100 au以外的耗竭）如何由物理与化学过程引起？
• RQ3 盘面是否具有引力稳定性？70–100 au区域的局部不稳定性是否可解释观测到的尘埃环结构？
• RQ4 非热解吸在多大程度上可将CO重新补给至毫米波尘埃盘外侧的中平面？
• RQ5 与单示踪方法相比，多示踪观测（CO、HD、尘埃）在多大程度上提升了气体质量的约束精度？

主要发现

• 最佳拟合模型得出总气体质量约为0.2 M⊙，其中32%的盘质量处于低于20 K的温度下。
• 在100 au以内，CO气体丰度较星际介质（ISM）值降低约10倍；在100 au以外，降低约100倍，与冻结及化学处理过程一致。
• HD辐射仅追踪内盘200 au范围，而12CO辐射延伸至650 au，表明气体盘的延伸范围远超毫米波尘埃所显示的范围。
• Toomre Q参数在70至100 au之间低于1.7（引力不稳定性阈值），与明显的毫米波尘埃环位置重合，提示可能存在局部不稳定性。
• 尽管存在局部不稳定性，外盘整体仍保持引力稳定，Q值在盘面大部分区域均大于1.7。
• 非热解吸被证明可向外侧尘埃环区域的中平面补充CO，解释了外盘中残留的CO辐射。