[論文レビュー] Gas in Protoplanetary Discs (GASPS) 1. First results

G. S. Mathews, W. R. F. Dent+51 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、ハーシェルのPACS機器を用いて、4つの原始惑星系円盤の遠赤外線分光および測光を実施した。[OI] 63 µmの放射は3つの天体（HD 169142、TW Hydrae、RECX 15）で検出されたが、[CII] 158 µm や [OI] 145 µm は検出されなかった。結果として、[OI] 63 ライン対連続分光率に広範なばらつきが認められ、特にRECX 15では極めて高いガス対ダスト比を示しており、これは以前に未踏の領域であった、ガスが豊富でダストが少ない円盤のレジームを示している。

ABSTRACT

Context - Circumstellar discs are ubiquitous around young stars, but rapidly dissipate their gas and dust on timescales of a few Myr. The Herschel space observatory allows for the study of the warm disc atmosphere, using far-infrared spectroscopy to measure gas content and excitation conditions, and far-IR photometry to constrain the dust distribution. Aims - We aim to detect and characterize the gas content of circumstellar discs in four targets as part of the Herschel science demonstration phase. Methods - We carried out sensitive medium resolution spectroscopy and high sensitivity photometry at lambda ~60-190 micron using the Photodetector Array Camera and Spectrometer instrument on the Herschel space observatory. Results - We detect [OI] 63 micron emission from the young stars HD 169142, TW Hydrae, and RECX 15, but not HD 181327. No other lines, including [CII] 158 and [OI] 145, are significantly detected. All four stars are detected in photometry at 70 and 160 micron. Extensive models are presented in associated papers.

研究の動機と目的

• ハーシェルの高感度分光および測光を用いて、原始惑星系円盤からの遠赤外線ガス放射を検出・特徴づけること。
• 惑星系形成の初期段階における原始星周囲円盤内のガス含有量および励起状態を調査すること。
• ライン対連続分光率の測定とモデルとの比較を通じて、ガスが豊富でダストが少ない円盤の広がりを調査すること。
• 過去の研究が熱い内側円盤放射または冷たい外側円盤のミリ波ラインに限定していた点の限界を評価すること。
• HD 169142のような大きな半径を持つ円盤で、[CII] 158 µm放射が検出可能かどうかを確認すること。

提案手法

• ハーシェル宇宙望遠鏡搭載のPhotodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) を用いて、60–190 µmの中分解能分光を実施した。
• ダスト分布および連続分光を制約するために、70および160 µmでの高感度測光を実施した。
• モデル予測と比較して、[OI] 63 µm、[CII] 158 µm、[OI] 145 µm のライン分光率の比を分析し、放射の起源を評価した。
• 特に [CII] 158 µm や [OI] 145 µm の非検出を解釈するため、3σの上限および下限を用いた。
• 観測されたライン対連続分光率を理論モデルと比較し、ガス対ダスト比および円盤構造を推定した。
• ジェット・アウトフロー源と比較して、ライン比の整合性を評価し、円盤放射とそれ以外の出力源の区別を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハーシェルの感度を用いて、原始惑星系円盤における遠赤外線[OI] 63 µm放射を検出可能か。また、その結果はガス励起状態に何を示唆するか？
• RQ2 円盤モデルが予測するように、[CII] 158 µm放射は4つの標本すべてで検出されなかったが、その理由は何か？
• RQ3 RECX 15では、他の円盤と比較して著しく高い[OI] 63 ライン対連続分光率が観測されたが、その理由は何か？
• RQ4 観測されたライン分光率比が、円盤放射であることをどれくらい支持するか？ジェット活動やアウトフローとはどのように区別できるか？
• RQ5 ガスが豊富でダストが少ない円盤はどれほど一般的か。RECX 15が850 µmで非検出であったことは、そのガス対ダスト比にどのような含意をもたらすか？

主な発見

• [OI] 63 µm放射は、HD 169142、TW Hydrae、RECX 15で検出され、140 pcの距離で4～90 × 10⁻¹⁸ W/m²の範囲の放射度を示した。
• 4つの標本すべてで、[CII] 158 µm や [OI] 145 µm は有意な検出が得られず、長時間積算すれば検出可能であるとモデル予測されたにもかかわらず、そのような結果となった。
• RECX 15では[OI] 63 ライン対連続分光率が17に達し、HD 169142 や TW Hydrae の0.3～1と比べて顕著に高い。これはガス対ダスト比の増加を示唆している。
• RECX 15は850 µmで非検出であり、これは高いガス対ダスト比と整合的である。49 Ceti系と同様に、非常にガスが豊富でダストが少ない円盤である可能性が示唆され、以前に未踏のレジームである。
• 3つの検出済み天体のライン分光率比は、ジェット源との比較に基づき、円盤放射に起因すると整合的である。
• モデル予測では、より長い積算時間があれば、TW Hydrae や RECX 15で[CII] 158 µmが検出可能であり、HD 169142では[OI] 145 µmも検出可能になると示唆されている。