[論文レビュー] Continuum and line modeling of disks around young stars II. Line diagnostics for GASPS from the DENT grid

I. Kamp, P. Woitke+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、30万モデルのグリッド（DENT）を用いて原始惑星系円盤内のガス放出診断を体系的に分析し、[O i] 63 μmおよび低J CO線が外側円盤半径およびUV過剰の強力なトレーサーであることを示した。[O i] 63/CO 2-1線の強度比により、ガスのみの観測からも、COの放射線だけに依存する場合よりも不確実性が低減された、10⁻³ M☉未満のオーダーのガス質量推定が可能である。

ABSTRACT

Aims. We want to understand the chemistry and physics of disks on the basis of a large unbiased and statistically relevant grid of disk models. One of the main goals is to explore the diagnostic power of various gas emission lines and line ratios for deriving main disk parameters such as the gas mass. Methods. We explore the results of the DENT grid (Disk Evolution with Neat Theory) that consists of 300 000 disk models with 11 free parameters. Through a statistical analysis, we search for correlations and trends in an effort to find tools for disk diagnostic. Results. All calculated quantities like species masses, temperatures, continuum and line fluxes differ by several orders of magnitude across the entire parameter space. The broad distribution of these quantities as a function of input parameters shows the limitation of using a prototype T Tauri or Herbig Ae/Be disk model. The statistical analysis of the DENT grid shows that CO gas is rarely the dominant carbon reservoir in disks. Models with large inner radii (10 times the dust condensation radius) and/or shallow surface density gradients lack massive gas phase water reservoirs. Also, 60% of the disks have gas temperatures averaged over the oxygen mass in the range between 15 and 70 K; the average gas temperatures for CO and O differ by less than a factor two. Studying the observational diagnostics, the [CII] 158 \mum fine structure line flux is very sensitive to the stellar UV flux and presence of a UV excess and it traces the outer disk radius (Rout). In the submm, the CO low J rotational lines also trace Rout. Low [OI] 63/145 line ratios (< a few) can be explained with cool atomic O gas in the uppermost surface layers leading to self-absorption in the 63 \mum line; this occurs mostly for massive non-flaring, settled disk models without UV excess. ... abbreviated

研究の動機と目的

• ガス質量、外側半径、UV過剰といった主要な円盤パラメータのための、強固なガス放出線診断法を特定すること。
• 単一のプロトタイプ円盤モデルの限界を克服するため、30万個の円盤モデルからなる統計的に代表的なグリッドを分析すること。
• 微細構造および分子線の診断能力を、円盤の物理的・化学的構造を制約するために定量化すること。
• Herschel、ALMA、および将来的なJWST観測の原始惑星系円盤を解釈するための体系的フレームワークを提供すること。
• 根本的な円盤特性と強く相関する線強度比を同定することで、円盤モデル化におけるデゲネラシーを低減すること。

提案手法

• DENTグリッドは、恒星質量、円盤質量、表面密度勾配、UV過剰などを含む11個の自由パラメータを有する30万個の円盤モデルを生成する。
• 各モデルについて、放射線輸送および非局所熱平衡（non-LTE）化学を解き、円盤全域におけるガス温度、種別質量、線放射線を計算する。
• 線診断と入力パラメータとの相関関係を特定するために、バッチ化された分布および平均/標準偏差の計算を統計解析に用いる。
• 重力的安定性を評価するために、温度および表面密度の半径依存のべき乗則から導出されるQ(r)を解析的に計算する。
• 線放射線および強度比（例：[O i] 63/CO 2-1）を円盤パラメータの関数として評価し、その診断的有用性を評価する。
• 一貫性のある物理的フレームワークを用いて、ダスト連続スペクトル、ガス化学、放射線輸送を統合し、モデル間の自己整合性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [C ii] 158 μmおよび[O i] 63 μm線放射線は、恒星のUV放射および外側円盤半径とどのように相関するか？
• RQ2 [O i] 63/CO 2-1線強度比は、他のパラメータに依存せずに、円盤ガス質量および外側半径をどれほど正確にトレースできるか？
• RQ3 パラメータ空間全体において、酸素およびCOのガス温度が互いに2倍以内の範囲にある円盤の割合はどの程度か？
• RQ4 低[O i] 63/145線強度比は、円盤表面層の低温原子酸素ガスにおける自己吸収によって説明可能か？
• RQ5 [O i] 63 μm放射線と[O i] 63/CO 2-1線強度比を組み合わせた手法は、10⁻³ M☉未満のガス質量を持つ円盤のガス質量推定において、どの程度有効か？

主な発見

• COガスは円盤においてほとんど常に炭素の主要な貯留源ではなく、CO₂や有機分子などの他の種が大部分の炭素を占めている。
• 60％の円盤で酸素の平均ガス温度が15–70 Kの範囲にあり、COおよびOガス温度の差は2倍未満である。
• [C ii] 158 μm線放射線は、恒星のUV放射およびUV過剰に強く敏感であり、外側円盤半径（R_out）をトレースする。
• 低[O i] 63/145線強度比（数未塔）は、上部円盤表面層の低温原子酸素ガスにおける自己吸収によって説明できる。
• [O i] 63/CO 2-1線強度比は、外側円盤半径、UV過剰、平均O iガス温度と強く相関しており、強力な診断ツールである。
• [O i] 63 μm放射線と[O i] 63/CO 2-1線強度比を組み合わせることで、ガス観測のみを用いても、M_gas ≤ 10⁻³ M☉の円盤に対してオーダーのオーダーのガス質量推定が可能である。