[論文レビュー] CO ro-vibrational lines in HD100546: A search for disc asymmetries and the role of fluorescence

R. P. Hein Bertelsen, I. Kamp+6 more|Nov 21, 2013

Thermodynamic properties of mixtures被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、8つの位置角で高分解能VLT/CRIRES分光法を用いてHD100546の原始惑星系円盤におけるCOロ振動発光を分析し、発光が主に円盤の壁（10–13 AU）から発生していることを明らかにした。モデルは線の形状とv=1–0の輝度を2倍以内に再現できるが、より高い振動準位バンドの輝度を約10倍低く見積もっており、UVフラーレンス励起が不十分であることを示唆している。内側の縁におけるガス体積密度を低くすることで、観測されたバンド比と振動温度（約3000 K 対 モデルの1700 K）との一致が向上する。

ABSTRACT

We have studied the emission of CO ro-vibrational lines in the disc around the Herbig Be star HD100546 with the final goal of using these lines as a diagnostic to understand inner disc structure in the context of planet formation. High-resolution IR spectra of CO ro-vibrational emission at eight different position angles were taken with CRIRES at the VLT. From these spectra flux tables, CO ro-vibrational line profiles, and population diagrams were produced. We have investigated variations in the line profile shapes and line strengths as a function of slit position angle. We used the thermochemical disc modelling code ProDiMo based on the chemistry, radiation field, and temperature structure of a previously published model for HD100546. Comparing observations and the model, we investigated the possibility of disc asymmetries, the excitation mechanism (UV fluorescence), the geometry, and physical conditions of the inner disc. The observed CO ro-vibrational lines are largely emitted from the inner rim of the outer disc at 10-13 AU. The line shapes are similar for all v levels and line fluxes from all vibrational levels vary only within one order of magnitude. All line profile asymmetries and variations can be explained with a symmetric disc model to which a slit correction and pointing offset is applied. Because the angular size of the CO emitting region (10-13 AU) and the slit width are comparable the line profiles are very sensitive to the placing of the slit. The model reproduces the line shapes and the fluxes of the v=1-0 lines as well as the spatial extent of the CO ro-vibrational emission. It does not reproduce the observed band ratios of 0.5-0.2 with higher vibrational bands. We find that lower gas volume densities at the surface of the inner rim of the outer disc can make the fluorescence pumping more effcient and reproduce the observed band ratios.

研究の動機と目的

• HD100546の円盤におけるCOロ振動発光の空間的起源と物理的条件を特定すること。
• UVフラーレンスがCOロ振動遷移を励起する役割を評価すること。
• 円盤の非対称性とスリット配置の効果が観測された線幅関数に与える影響を調査すること。
• ProDiMo熱化学モデルが観測されたCO線輝度とバンド比を再現できるかを検証すること。
• COロ振動発光が内側の円盤構造と惑星形成を探査するための診断的有用性を評価すること。

提案手法

• CRIRESを用いたVLTで、8つの位置角にわたるCOロ振動発光線の高スペクトル分解能赤外分光法を実施した。
• 観測スペクトルから線幅関数、輝度表、および分布図を作成し、線幅形状と輝度変動を分析した。
• HD100546のためのProDiMo熱化学円盤モデルを用い、7つの振動準位と60個の回転準位を持つCO分子を組み込んだ。
• モデルで得られた線輝度と線幅関数を観測値と比較し、ビームのぼやけやポイントングオフセットを補正するためのスリット補正を適用した。
• 内側縁におけるガス体積密度を低くすることで、フラーレンス効率とバンド比再現性のテストを実施した。
• 空間的プロファイルを観測されたPSFで畳み込み、比較の忠実度を向上させたが、完全なPSF畳み込みは未だ進行中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COロ振動発光は円盤のどの領域から主に発生しており、その励起を支配する物理的条件は何か？
• RQ2 観測された線幅関数の非対称性は、真の円盤の非対称性を反映しているのか、それとも機器的・スリット幾何学的要因に起因しているのか？
• RQ3 UVフラーレンスが観測されたCOロ振動バンド比、特にv=2–1対v=1–0の輝度比を説明できるか？
• RQ4 ガス密度と垂直構造の変化が、円盤の内側縁におけるUVフラーレンス励起効率に与える影響は何か？
• RQ5 スリットの配置と幅が、空間分解COロ振動分光法における観測線幅関数に与える影響は何か？

主な発見

• COロ振動発光は主に外側円盤の内側縁（10–13 AU）から発生しており、円盤の壁構造と整合的である。
• 全振動準位と回転準位において線幅関数が類似しており、輝度は10倍以内で変動しているため、均一な励起環境であることが示唆された。
• 観測された線幅非対称性と変動は、すべてスリット補正とポイントングオフセットを考慮した対称的円盤モデルで完全に説明可能であり、内在的な非対称性とは無関係である。
• モデルは観測された線幅形状とv=1–0輝度を2倍以内に再現でき、発光領域の空間的広がりを確認した。
• より高い振動準位バンド（例：v=2–1）の輝度は、モデルで10倍低く見積もられており、標準モデルにおけるUVフラーレンス励起が不十分であることを示している。
• 円盤の内側縁におけるガス体積密度を低くすることで、観測されたバンド比と振動温度（約3000 K 対 モデルの1700 K）との一致が向上し、垂直方向に広がった低密度層がフラーレンス効率を向上させると示唆された。