[论文解读] Viscous Heating and Boundary Layer Accretion in the Disk of Outbursting Star FU Orionis

Aaron Labdon, Stefan Kraus+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 4

一句话总结

本研究利用CHARA阵列的MIRC-X仪器，首次对年轻恒星FU Orionis进行了J波段干涉观测。结果揭示了内盘中存在T ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²的温度梯度，与稳态、光学厚吸积盘中的黏性加热一致，并证实了边界层吸积可延伸至0.015 ± 0.007 au，其表面温度为5800 ± 700 K。

ABSTRACT

Context. FU Orionis is the archetypal FUor star, a subclass of young stellar object (YSO) that undergo rapid brightening events, often gaining 4-6 magnitudes on timescales of days. This brightening is often associated with a massive increase in accretion; one of the most ubiquitous processes in astrophysics from planets and stars to super-massive black holes. We present multi-band interferometric observations of the FU Ori circumstellar environment, including the first J-band interferometric observations of a YSO. Aims. We investigate the morphology and temperature gradient of the inner-most regions of the accretion disk around FU Orionis. We aim to characterise the heating mechanisms of the disk and comment on potential outburst triggering processes. Methods. Recent upgrades to the MIRC-X instrument at the CHARA array allowed the first dual-band J and H observations of YSOs.Using baselines up to 331 m, we present high angular resolution data of a YSO covering the near-infrared bands J, H, and K. The unprecedented spectral range of the data allows us to apply temperature gradient models to the innermost regions of FU Ori. Results. We spatially resolve the innermost astronomical unit of the disk and determine the exponent of the temperature gradient of the inner disk to $T=r^{-0.74\pm0.02}$. This agrees with theoretical work that predicts $T = r^{-0.75}$ for actively accreting, steady state disks, a value only obtainable through viscous heating within the disk. We find a disk which extends down to the stellar surface at $0.015\pm0.007$ au where the temperature is found to be $5800\pm700$ K indicating boundary layer accretion. We find a disk inclined at $32\pm4^\circ$ with a minor-axis position angle of $34\pm11^\circ$.

研究动机与目标

• 表征FU Orionis这一典型FU Orionis爆发恒星周围最内层吸积盘的温度结构与形态。
• 利用高角分辨率观测检验稳态、光学厚吸积盘中黏性加热的理论模型。
• 通过探测盘的内边缘和温度梯度，研究边界层吸积的存在及其影响。
• 通过干涉数据的几何建模，约束盘的倾角和位置角。
• 在0.5–50 mas范围内搜索可能影响吸积爆发机制的密近双星。

提出的方法

• 利用CHARA阵列的MIRC-X仪器进行多波段干涉观测，基线最长达331 m。
• 同时获取J波段和H波段观测，实现高光谱分辨率和宽波段覆盖，以建模盘面的温度梯度。
• 通过可见度和闭合相位数据的几何建模，推导出盘的倾角、位置角和内盘半径。
• 将温度梯度模型拟合至J、H和K波段的观测通量分布，以推断加热机制。
• 利用H波段的可见度和闭合相位数据进行伴星搜索，设定0.5–50 mas范围内伴星的通量对比上限为1.3%。
• 将理论的黏性加热、稳态吸积盘模型与观测到的温度分布进行比较，以验证加热机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 FU Orionis最内层盘的径向温度分布为何？是否与黏性加热、稳态吸积盘的理论预测相符？
• RQ2 观测到的温度梯度是否为盘内区以黏性加热为主导机制的证据？
• RQ3 吸积盘延伸至多近恒星表面？内边缘的温度是否证实了边界层吸积的存在？
• RQ4 盘的倾角和位置角为何？与先前估计值及喷流/外流方向相比如何？
• RQ5 在0.5–50 mas范围内是否存在可能触发或影响FU Orionis爆发的密近伴星？

主要发现

• 内盘的温度梯度测量值为T ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²，与黏性加热、稳态吸积盘的理论预测T ∝ r⁻⁰.⁷⁵高度一致。
• 内盘从恒星向外延伸至0.015 ± 0.007 au，此处温度达5800 ± 700 K，与边界层吸积一致。
• 盘的倾角为32 ± 4°，短轴位置角为34 ± 11°，相比以往研究提供了更严格的约束。
• 短轴位置角与已知喷流/外流方向存在约60°的偏离，表明喷流可能并非完全垂直于盘面。
• 在0.5–50 mas范围内未探测到显著伴星，H波段通量对比上限为1.3%，排除了该区域内存在大质量伴星的可能性。
• 本研究证明了J波段干涉测量在探测年轻恒星对象吸积盘热结构方面的可行性与强大能力。