[論文レビュー] Fe I in the β Pictoris circumstellar gas disk I. Physical properties of the neutral iron gas

A. Vidal‐Madjar, F. Kiefer+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 24, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、β Perseiの周図星ガス円盤における中性鉄（Fe I）の物理的状態を調査するため、1,700本の高分解能HARPSスペクトルを分析した。S/N > 1,000を達成するためスペクトルを重ね合わせた結果、Fe Iが複数の励起状態で検出され、約38 R⋆（0.2 AU付近）で約1300 Kのガス温度が示された。これは、0.2 AU付近のダスト粒子からの鉄の蒸発と整合的であり、安定したFe Iガスの供給源として、外部惑星系のコメット（exocomets）やダストのサブリマーションが関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The young planetary system β Pictoris is surrounded by a circumstellar disk of dust and gas. Because both dust and gas have a lifetime shorter than the system age, they need to be replenished continuously. The gas composition is partly known, but its location and its origin are still a puzzle. The gas source could be the exocomets (or so-called falling and evaporating bodies, FEBs), which are observed as transient features in absorption lines of refractory elements (Mg, Ca, and Fe) when they transit in front of the star at several tens of stellar radii. Nearly 1700 high-resolution spectra of β Pictoris have been obtained from 2003 to 2015 using the HARPS spectrograph. In these spectra, the circumstellar disk is always detected as a stable component among the numerous variable absorption signatures of transiting exocomets. Summing all the 1700 spectra allowed us to reach a signal-to-noise ratio higher than 1000, which is an unprecedentedly high number for a β Pictoris spectrum. It revealed many weak Fe I absorption lines of the circumstellar gas in more than ten excited states. These weak lines bring new information on the physical properties of the neutral iron gas in the circumstellar disk. The population of the first excited levels follows a Boltzmann distribution with a slope consistent with a gas temperature of about 1300 K; this temperature corresponds to a distance to the star of ~ 38 RStar and implies a turbulence of ξ ~ 0.8 km/s.

研究の動機と目的

• β Perseiの安定した周図星ガス円盤における中性鉄（Fe I）の物理的状態を特定すること。
• 特に、Fe I原子がダストのサブリマーション由来か、外部惑星系のコメットからのガス放出由来かを解明すること。
• 高S/N分光法を用いて、Fe Iガスの温度、電子密度、励起状態を制約すること。
• 周図星環境における支配的であると考えられる励起機構（衝突起因、放射起因、またはネビュラー）を特定すること。

提案手法

• β Perseiの1,700本の高分解能HARPSスペクトルを重ね合わせ、S/N > 1,000を達成することで、弱いFe I吸収線の検出を可能にした。
• 基底状態から12,969 cm⁻¹の励起準位までに及ぶFe I線の径速度および等価幅を測定した。
• 低エネルギー励起準位の分布からガスの回転温度を導出するための励起図を作成した。
• 励起準位のボルツマン分布を用いて、20.41 km/sの成分におけるガス温度が約1300 Kであると推定した。
• Viotti (1976)の図を用いて、希釈係数（W）と電子衝突率（NeTe¹ᐟ²）に基づき、励起機構の分類を行った。
• Fe II線のプロファイルからの制約とN(FeI)/N(FeII)比を用いて電子密度（Ne）を推定し、Ne ≤ 7×10⁵ cm⁻³が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β Perseiの周図星円盤の安定成分における中性鉄ガスの温度および空間的分布は何か？
• RQ2 観測されたFe I励起準位の分布を説明するための物理的条件（温度、電子密度、励起機構）は何か？
• RQ3 観測されたFe Iガスは、星の近くでのダストのサブリマーション由来であると整合的か、それとも外部惑星系のコメットからのガス放出由来か？
• RQ4 Fe Iガス環境を最もよく表す励起機構（衝突起因、放射起因、またはネビュラー）はどれか？
• RQ5 Fe Iガスにおける電子密度の上限は何か？また、これは観測された励起準位の起源をどのように制限するか？

主な発見

• Fe Iは基底状態から12,969 cm⁻¹の励起準位まで検出され、ガスに広範なエネルギー準位が存在することを示した。
• 20.41 km/sの径速度成分は、すべてのFe I励起準位と共通しており、Fe I原子の供給源と関連している。
• 励起図からボルツマン分布が得られ、ガス温度が約1300 Kであった。これは鉄のサブリマーション温度と整合的である。
• 推定されたガスまでの距離は約38 R⋆（0.2 AU）であり、ダストのサブリマーション半径付近に位置している。
• 電子密度は≤ 7×10⁵ cm⁻³に制限され、Fe IおよびC Iの励起準位観測から下限は10³ cm⁻³であった。
• [W, NeTe¹ᐟ²]図から、放射起因と衝突起因の間の遷移領域に位置していることが示された。