Studying spiral structures in protoplanetary disks through mylti-wavelength Alma observations

Abstract

Estudiar las estructuras presentes en discos protoplanetarios nos permite caracterizar los procesos dinámicos en ellos. Específicamente, las estructuras espirales tienen dos posibles orígenes, inestabilidades gravitacionales en un disco masivo o la presencia de un cuerpo, ligado o no, al sistema. En pocos discos protoplanetarios en se han observado estructuras espirales en longitudes de onda milimétricas, lo cual hace el estudio de estos sistemas particularmente interesante. En esta tesis analizamos el caso de Elias 2-27, un sistema jóven que alberga un disco inusualmente masivo. Debido a su alto cuociente de masa disco-estrella (∼0.3) es candidato a ser el primer disco observado con inestabilidades gravitacionales. Alternativamente, la estructura espiral de Elias 2-27 podría ser provocada por un planeta aun no detectado. Analizamos observaciones ALMA de lineas espectrales y polvo en múltiples longitudes de onda para Elias 2-27, buscando determinar el origen de la estructura espiral observada en el polvo. Nuestra meta es derivar nuevas características observacionales y determinar si existe atrapamiento de sólidos, desviaciones de movimiento Kepleriano, o cualquier indicador que favorezca algún origen para la estructura espiral. Los sólidos son observados a través de observaciones con resolución de ∼0.2 arcsec (∼23 ua) en 0.89mm, 1.3mm and 3.3mm, la componente gaseosa y su cinemática son observadas usando 13CO y C18O, en la transición J =3-2 y moléculas de CN en las transiciones J = 7/2 − 5/2 y J = 5/2 − 3/2. En las observaciones de polvo aplicamos técnicas de sustracción para destacar la estructura espiral y trazar la morfología en cada una de las longitudes de onda estudiadas. También medimos las variaciones de contraste e índice espectral a lo largo de las espirales, buscando señales de atrapamiento de partículas. Aplicamos el método de Pinte et al. (2018a) a los isotopólogos de CO para trazar la morfología de la superficie de emisión de 13CO y C18O y obtener el perfil de velocidad. Con lo anterior, obtenemos el perfil radial de altura para la superficie de emisión y una medición independiente de la masa estelar para el sistema. Buscamos desviaciones de movimiento Kepleriano a través del análisis de residuos de los mapas de velocidad y perturbaciones presentes en los canales de velocidad, usando las curvas esperadas de isovelocidades. La emisión de CN es únicamente caracterizada a través de sus caracterís- ticas morfológicas principales. También desarrollamos y comparamos las observaciones de polvo y gas con simulaciones hidrodinámicas de un disco gravitacionalmente inestable. Trazamos la estructura espiral en todas las observaciones de polvo, la morfología es simétrica y con ángulo característico relativamente constante a distintas longitudes de onda. Detectamos señales tenues de atrapamiento de partículas en el análisis de contraste e índice espectral. De las observaciones de gas trazamos una altura de la superficie emisora asimétrica y variable azimutalmente. Detectamos emisión de gran escala en torno al disco y fuertes perturbaciones en la ubicación de las espirales, en los canales de velocidad. Considerando las características observadas y las similitudes con simulaciones hidrodinámicas, proponemos inestabilidades gravitacionales, inducidas por la caida de material sobre el disco, son el origen de la estructura espiral observada en Elias 2-27.