[論文レビュー] Bright CO ro-vibrational emission lines in the class I source GSS 30 IRS1: Probing the inner disk of a young embedded star

K. M. Pontoppidan, F. L. Schoeier+2 more|ArXiv.org|Jul 18, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、埋蔵されたクラスIの若い星であるGSS 30 IRS1から、4.5–4.8 μm帯域における強力な振動-回転CO放射の初回検出を報告する。この放射は515 ± 5 Kの単一温度のガスから発生しており、内側の惑星系円盤（10–50 AU）における高密度で解離を伴う降着衝撃からの散乱によって最もよく説明される。全ガス質量は1–100 M⊕、物理的スケールは20–100 AUである。

ABSTRACT

We present a 4.5-4.85 micron R=5000 spectrum of the low mass class I young stellar object GSS 30 IRS1 (L=25L_sun) in the rho Ophiuchus core, observed with the infrared spectrometer (ISAAC) on the Very Large Telescope (VLT-UT1). Strong line emission from the ro-vibrational transitions of 12CO and 13CO is detected. In total more than 40 distinct lines are seen in the covered region. The line emission is spatially extended and detected up to 2" = 320 AU from the central source but is spectrally unresolved (Delta v < 30 km/s). This is the first time strong emission in the fundamental ro-vibrational band from CO has been observed from an embedded young stellar object. The line fluxes were modeled using a 1-dimensional full radiative transfer code, which shows that the emission is fully consistent with a gas in LTE at a single well constrained temperature (T=515+/-5 K). Furthermore, the ratios between lines from the two detected isotopic species of CO show that the 12CO lines must be optically thick. However, this is inconsistent with the observed spatial extent of the emission, since this implies such low CO column densities that the lines are optically thin. A likely solution to the discrepancy is that the lines are emitted by a smaller more dense region and then scattered in the bipolar cavity present around the central star. This gives a rough estimate of the total molecular gas mass of 1-100 M_earth and a physical extent of ~20-100 AU. We propose that the most likely origin of the line emission is post-shocked gas in a dense dissociative accretion shock from the inner 10-50 AU of a circumstellar disk. The presence of a shock capable of dissociating molecules in the disk will have implications for the chemical evolution of disks around young low mass stars.

研究の動機と目的

• 埋蔵されたクラスIの若い星GSS 30 IRS1から発生する4.5–4.8 μm帯域における強力な振動-回転CO放射の起源を調査すること。
• 内側円盤領域における放射ガスの物理的状態（温度、密度、光学濃度）を特定すること。
• 観測された線の光学濃度と空間的広がりの不一致を解消すること。これは単一の放射領域では説明できない。
• 降着衝撃が低質量若い星の原始惑星円盤の化学的・物理的進化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• VLT-UT1のISAAC分光計を用いて、GSS 30 IRS1の高分解能（R = 5,000）近赤外スペクトルを取得した。
• M帯域（4.5–4.8 μm）で12COおよび13COの40個以上の明確な振動-回転遷移を同定した。
• 局所熱力学的平衡（LTE）を仮定し、1次元の完全な放射輸送コードを用いて線放射をモデリングした。
• 観測された12CO/13CO線の放射度比を用いて光学濃度を推定し、柱密度を制約した。
• 観測された空間的広がり（最大2 arcsec = 320 AU）と高い光学濃度の整合性をとるために、散乱モデルを検討した。
• 2温度ガス分布などの代替シナリオを検討したが、観測結果と整合せず、これを除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GSS 30 IRS1における観測されたCO振動-回転線スペクトルを再現するには、どのような物理的条件（温度、密度、光学濃度）が必要か？
• RQ2 なぜ放射は空間的に広がっている（最大320 AU）にもかかわらず、スペクトル的には分解できない（Δv < 30 km s⁻¹）のか？ そして、これは高い光学濃度とどのように整合するのか？
• RQ3 低柱密度領域にあっても、約515 Kの単一温度ガスと高い光学濃度を生じるメカニズムは何か？
• RQ4 観測された放射は内側円盤における衝撃と一致するか？ もしそうであれば、円盤の化学的進化と降着ダイナミクスにどのような意味を持つのか？

主な発見

• CO振動-回転放射は、515 ± 5 Kの単一温度ガスによって最もよくモデリングされ、CO柱密度は2 ± 0.5 × 10¹⁸ cm⁻²である。
• 12CO線は光学的に厚いが、観測された空間的広がり（320 AU）は低柱密度を示しており、矛盾を生じている。
• この矛盾は散乱モデルによって解決される：放射は小さな高密度領域から発生し、二重対称キャビティ内で散乱される。
• 観測された線の放射度と比は、2温度ガス分布と整合せず、このようなモデルは除外される。
• 放射は、原始惑星円盤の内側10–50 AUからの高密度降着流におけるJ衝撃によって最も妥当に説明される。
• 衝撃シナリオは顕著な分子解離を伴い、低質量YSOの内側円盤における化学的進化に大きな影響を与える。