[论文解读] The chemistry of episodic accretion in embedded objects. 2D radiation thermo-chemical models of the post-burst phase

Christian Rab, Vardan G. Elbakyan+8 more|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|May 10, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 87被引用 10

一句话总结

本研究利用 PRODIMO 代码对爆发后原恒星的二维辐射热化学模型进行了模拟，结果表明在爆发后冷却阶段，CO 从内向外的冻结过程会在 C18O J=2-1 辐射中产生明显的空间特征，包括空洞和 X 形强度分布模式。这些特征使得仅通过 ALMA 观测数据的双组分高斯拟合即可实现无需模型依赖的爆发后天体识别。

ABSTRACT

Episodic accretion is an important process in the evolution of young stars and their environment. The observed strong luminosity bursts of young stellar objects likely have a long lasting impact on the chemical evolution of the disk and envelope structure. We want to investigate observational signatures of the chemical evolution in the post-burst phase for embedded sources. With such signatures it is possible to identify targets that experienced a recent luminosity burst. We present a new model for episodic accretion chemistry based on the 2D, radiation thermo-chemical disk code ProDiMo. We have extended ProDiMo with a proper treatment for envelope structures. For a representative Class I model, we calculated the chemical abundances in the post-burst phase and produced synthetic observables like intensity maps and radial profiles. During a burst many chemical species, like CO, sublimate from the dust surfaces. As the burst ends they freeze out again (post-burst phase). This freeze-out happens from inside-out due to the radial density gradient in the disk and envelope structure. This inside-out freeze-out produces clear observational signatures in spectral line emission, like rings and distinct features in the slope of radial intensity profiles. We fitted synthetic C18O J=2-1 observations with single and two component fits and find that post-burst images are much better matched by the latter. Comparing the quality of such fits allows identification of post-burst targets in a model-independent way. Our models confirm that it is possible to identify post-burst objects from spatially resolved CO observations. However, to derive proper statistics, like frequencies of bursts, from observations it is important to consider aspects like the inclination and structure of the target and also dust properties as those have a significant impact on the freeze-out timescale.

研究动机与目标

• 研究嵌入原恒星爆发后阶段的周期性吸积所产生的化学与辐射特征。
• 解决当直接光学爆发因持续时间过短而无法探测时，爆发影响源的识别难题。
• 开发一种无需依赖模型的观测方法，利用空间分辨的 CO 谱线发射来探测爆发后天体。
• 评估盘结构、尘埃性质以及视线倾角对冻结时间尺度和可探测性的影响。
• 量化真实尘埃尺寸分布对盘中冻结动力学的影响。

提出的方法

• 将二维辐射热化学盘模型 PRODIMO 扩展，以包含真实的包层结构和时变爆发演化过程。
• 引入表面加权的尘埃尺寸分布（盘中最大达 1000 µm，包层中为 1 µm），与单个 0.1 µm 颗粒相比，将冻结时间尺度分别缩短了 90 倍（盘）和 3 倍（包层）。
• 模拟了爆发后冷却阶段的温度与化学结构演化，重点关注由于径向密度梯度导致的 CO 从内向外的冻结过程。
• 生成了 C18O J=2-1 发射的合成 ALMA 观测数据，包括强度图、径向强度剖面以及高斯组分拟合。
• 采用双组分高斯拟合方法，将爆发后发射（中心 + 扩展组分）与平静期发射（单组分）区分开来。
• 考虑了盘遮蔽效应对包层温度结构的影响，使中平面附近 CO 含量降低约三倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性吸积爆发后阶段中，CO 冻结的可观测化学与辐射特征是什么？
• RQ2 从内向外的冻结机制如何在 C18O 发射图中产生独特的空间特征？
• RQ3 对 C18O J=2-1 强度剖面进行双组分高斯拟合是否能以无需模型依赖的方式可靠识别爆发后原恒星？
• RQ4 尘埃尺寸分布、盘结构和视线倾角如何影响爆发后特征的可探测性？
• RQ5 包层密度梯度与盘遮蔽效应对爆发后化学演化的时间尺度和形态有多大影响？

主要发现

• 爆发后阶段的从内向外 CO 冻结在 C18O J=2-1 强度图中产生清晰的空洞，主要在面朝观测系统中可见，因视线可穿透空腔区域。
• 径向强度剖面显示峰值强度的衰减速度快于扩展发射，表明内区与外区冻结过程具有不同的时间尺度。
• 对 C18O 发射进行双组分高斯拟合提供了一种稳健且无需依赖模型的方法，可有效识别爆发后天体，因为此类拟合对爆发后发射的匹配度显著优于单组分拟合。
• 与爆发相关联的扩展发射组分（对应于爆发 CO 冰线）可在爆发后持续长达 10,000 年，从而实现对近期爆发的探测。
• 真实尘埃尺寸分布使冻结时间尺度分别缩短 90 倍（盘）和 3 倍（包层），但盘中密度仍主导时间尺度，导致内区冻结更快。
• 盘遮蔽使包层中平面冷却，使中平面 CO 含量降低三倍，这一特征在 1D 模型中缺失，对精确化学建模至关重要。