通过 ALMA CO 多跃迁观测探究 $\beta$ Pictoris 周围系彗星气体的结构、起源与物理性质

最近的 ALMA 观测揭示了 23 Myr 年老 $\beta$ Pictoris 行星系统中 CO 气体的结构，这一成分在许多类似的年轻碎屑盘中也被发现。我们在此呈现 ALMA CO J=2-1 观测，其光谱-空间分辨率与灵敏度相比先前的 CO J=3-2 观测均有提升。我们发现：1) CO 团块在径向上较宽，支持其动力学起源为共振迁移而非大撞击假说；2) CO 盘在垂向上相对于主尘埃盘倾斜，倾角与散射光翘曲一致。随后我们使用位置-速度图来追踪盘轨道平面内的 Keplerian 半径。假设完美的边缘几何，这表明 CO 标高随半径以 $R^{0.75}$ 增长，且通过 NLTE 分析从 CO 谱线比导出的电子密度与热力学模型相符。此外，我们展示了光学薄谱线比观测如何解决含气碎屑盘中原初起源与次生起源的二元对立。如 $\beta$ Pictoris 所示，亚热（NLTE）CO 激发表明 H$_2$ 密度不足以在系统寿命内保护 CO 免受光解。这意味着必定发生了来自系彗星挥发物的补充，证明了该盘的次生起源。在此场景下，假设 CO 气体处于稳态产生/破坏，我们推导出 $\beta$ Pic 系彗星中 CO+CO$_2$ 冰的质量丰度最多约为 6%，这与我们太阳系及同期的 HD181327 系统中的彗星相符。