[論文レビュー] FUV and X-ray irradiated protoplanetary disks: a grid of models II - Gas diagnostic line emission

G. Aresu, R. Meijerink+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、中心星からの極端紫外線（FUV）およびX線放射が、[O i] 63 μm、[C ii] 157 μm、[Ne ii] 12.8 μm、[Ar ii]、およびH₂O回転線といったガス tracerの微細構造線発光に与える影響を調査する目的で、240個のプロト惑星環状円盤モデルのグリッドを提示する。主な発見は、[O i] 63 μm発光が、X線放射度L_X < 10³⁰ erg s⁻¹の低L_X領域ではFUV支配から、L_X > 10³⁰ erg s⁻¹の高L_X領域ではX線支配に移行することであり、[C ii]は主にC⁺生成によるFUV駆動であり、[Ne ii]はX線と強く相関し、ディスク大気と内縁部からの発光を示す二重ピーク型の線幅を示している。

ABSTRACT

Most of the mass in protoplanetary disks is in the form of gas. The study of the gas and its diagnostics is of fundamental importance in order to achieve a detailed description of the thermal and chemical structure of the disk. The radiation from the central star (from optical to X-ray wavelengths) and viscous accretion are the main source of energy and dominates the disk physics and chemistry in its early stages. This is the environment in which the first phases of planet formation will proceed. We investigate how stellar and disk parameters impact the fine-structure cooling lines [NeII], [ArII], [OI], [CII] and H2O rotational lines in the disk. These lines are potentially powerful diagnostics of the disk structure and their modelling permits a thorough interpretation of the observations carried out with instrumental facilities such as Spitzer and Herschel. Following Aresu et al. (2011), we computed a grid of 240 disk models, in which the X-ray luminosity, UV-excess luminosity, minimum dust grain size, dust size distribution power law and surface density distribution power law, are systematically varied. We solve self-consistently for the disk vertical hydrostatic structure in every model and apply detailed line radiative transfer to calculate line fluxes and profiles for a series of well known mid- and far-infrared cooling lines. The [OI] 63 micron line flux increases with increasing FUV luminosity when Lx &lt; 1e30 erg/s, and with increasing X-ray luminosity when LX &gt; 1e30 erg/s. [CII] 157 micron is mainly driven by FUV luminosity via C+ production, X-rays affect the line flux to a lesser extent. [NeII] 12.8 micron correlates with X-rays; the line profile emitted from the disk atmosphere shows a double-peaked component, caused by emission in the static disk atmosphere, next to a high velocity double-peaked component, caused by emission in the very inner rim. (abridged)

研究の動機と目的

• 星およびディスクのパラメータが、プロト惑星環状円盤における主要なガス診断線発光に与える影響を理解すること。
• FUVおよびX線放射が、[O i]、[C ii]、[Ne ii]、[Ar ii]、H₂Oといった種の線発光をどのように駆動しているかを特定すること。
• SpitzerおよびHerschelの観測を解釈するための予測フレームワークを提供し、広範なディスクおよび星のパラメータの範囲で線輝度および線幅をモデル化すること。
• 特に光学的厚さが高く、空間分解できない領域においても、線発光を用いたディスクの熱的および化学的構造のプローブを可能にすること。

提案手法

• X線放射度、FUV過剰放射度、最小チリ粒子径、チリ粒子サイズ分布の指数、表面密度分布の指数を系統的に変化させた240個のディスクモデルのグリッドを計算した。
• 各モデルについて、ディスクの垂直的静的構造を自己無撞着に解き、温度および密度プロファイルを決定した。
• 中赤外および遠赤外の微細構造線の輝度および線幅を計算するために、詳細な線放射輸送を適用した。
• ディスクの熱的および化学的構造をモデル化するために、熱化学コードProDiMoを用い、その結果を放射輸送コードMCFOSTにフィードした。
• X線およびFUV加熱、イオン化、冷却プロセス（特にディスク大気におけるクーロン加熱および光脱着）をモデルに組み込んだ。
• 主な遷移、すなわち[O i] 63 μm、[C ii] 157 μm、[Ne ii] 12.8 μm、[Ar ii]、および複数のH₂O回転線の線幅を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FUVおよびX線放射度の変化に伴い、[O i] 63 μm線輝度はどのように反応するか？
• RQ2 [C ii] 157 μm線発光はFUVかX線放射によって駆動されており、スペクトル的詳細が輝度に与える影響は何か？
• RQ3 [Ne ii] 12.8 μm線幅は、チリ観測に依存せずに内縁部の位置を特定できるか？
• RQ4 異なるディスク領域からの水線は[O i] 63 μmとどのように相関し、ディスク構造に何を明らかにするか？
• RQ5 X線とFUVのどちらが、ディスク大気における主要なガストレーサーの励起および発光に寄与しているか？

主な発見

• [O i] 63 μm線輝度は、X線放射度が10³⁰ erg s⁻¹未満の領域ではFUV放射度に比例して増加し、L_Xが10³⁰ erg s⁻¹を超えるとX線放射度に比例して増加する。これは、加熱源が支配的から変化していることを示している。
• [C ii] 157 μm線は、主にC⁺生成によるFUV放射によって駆動されており、X線によるクーロン加熱による寄与は二次的である。
• [Ne ii] 12.8 μm線幅は、静的ディスク大気と内縁部近傍の高速ガスからの発光の両方を反映し、二重ピーク構造を示す。これは高スペクトル分解能観測で検証可能である。
• [Ar ii]線は[Ne ii]と同様のディスク領域をトレースしており、少数の源での検出はモデル予測と整合的である。
• 水線輝度は励起エネルギーおよび発生領域に応じて[O i] 63 μmと多様な相関を示し、低励起線では非線形的勾配を示す。これは、モデルの化学的および熱的構造が妥当であることを確認している。
• モデルグリッドにより、HerschelおよびSpitzer観測の解釈が強く支援され、GASPS調査における観測された[O i]輝度と、期待される不確実性内に一致している。