[論文レビュー] Gas lines from the 5-Myr old optically thin disk around HD141569A. Herschel observations and modeling

W.‐F. Thi, C. Pinte+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 111被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、ヘーシェル-PACSを用いた[O I] 63および145 μm、[C II] 157 μm、およびCO J=3–2線の観測に加え、スパイitzerおよびVLTのデータを組み合わせ、5 Myrの年齢の遷移的円盤であるHD141569Aのガスとダストをモデル化した。MCFOSTとProDiMoを併用した同時モデル化により、ガス質量は2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙、ダスト質量はaₘₐₓ < 1 mmの場合に2.1×10⁻⁷ M⊙となり、ガス対ダスト質量比は約100であった。これは、円盤の進化にもかかわらず、初期の星間物質の値と一致する結果であった。

ABSTRACT

At the distance of 99-116 pc, HD141569A is one of the nearest HerbigAe stars that is surrounded by a tenuous disk, probably in transition between a massive primordial disk and a debris disk. We observed the fine-structure lines of OI at 63 and 145 micron and the CII line at 157 micron with the PACS instrument onboard the Herschel Space Telescope as part of the open-time large programme GASPS. We complemented the atomic line observations with archival Spitzer spectroscopic and photometric continuum data, a ground-based VLT-VISIR image at 8.6 micron, and 12CO fundamental ro-vibrational and pure rotational J=3-2 observations. We simultaneously modeled the continuum emission and the line fluxes with the Monte Carlo radiative transfer code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the disk gas- and dust properties assuming no dust settling. The models suggest that the oxygen lines are emitted from the inner disk around HD141569A, whereas the [CII] line emission is more extended. The CO submillimeter flux is emitted mostly by the outer disk. Simultaneous modeling of the photometric and line data using a realistic disk structure suggests a dust mass derived from grains with a radius smaller than 1 mm of 2.1E-7 MSun and from grains with a radius of up to 1 cm of 4.9E-6 MSun. We constrained the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) mass to be between 2E-11 and 1..4E-10 MSun assuming circumcircumcoronene (C150H30) as the representative PAH. The associated PAH abundance relative to hydrogen is lower than those found in the interstellar medium (3E-7) by two to three orders of magnitude. The disk around HD141569A is less massive in gas (2.5 to 4.9E-4 MSun or 67 to 164 MEarth) and has a flat opening angle (&lt;10%). [abridged]

研究の動機と目的

• ヘーシェルA型の若い星HD141569Aの周囲に存在する5 Myrの年齢の遷移的円盤におけるガスとダスト質量を制約すること。
• CO、準位線、PAHsといった異なるトレーサーからのガス質量推定値に生じる矛盾を解消すること。
• 円盤の進化にもかかわらず、ガス対ダスト質量比が初期の星間物質の値100のままであるかどうかを検証すること。
• 円盤の物理的・化学的構造、特にPAHの存在量と円盤のフラーリング（膨らみ）の調査

提案手法

• ヘーシェル-PACSを用いた[O I] 63および145 μm、[C II] 157 μm、およびCO J=3–2線の観測。
• スパイitzer分光・測光、VLT-VISIRによる8.6 μmの画像、およびアーカイブ済みCOデータを併用。
• モンテカルロ放射遷移コードMCFOSTを用いて、連続スペクトルとライン輝度を同時にモデル化。
• ProDiMoを用いた熱力学的・化学的モデル化により、円盤構造、ガス温度、化学種の濃度を導出。
• 粒子サイズ分布と光学厚さのモデル簡素化のため、ダスト沈降を仮定しない。
• スペクトルエネルギー分布（SED）およびライン輝度にフィットさせ、ダスト質量、ガス質量、PAHの存在量を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD141569Aの円盤における総ガス質量は何か？また、ダスト質量と比較するとどうなるか？
• RQ2 CO、[O I]、[C II]といった異なるガストレーサーが、なぜ不一致なガス質量推定値をもたらすのか？
• RQ3 円盤内での多環芳香族炭化水素（PAHs）の存在量は何か？星間媒体と比較するとどうなるか？
• RQ4 円盤構造は平坦かフラーリングしているか？また、これによりライン放射とSEDフィッティングにどのような影響を与えるか？
• RQ5 ガス対ダスト質量比は、初期の星間物質の値100のまま維持されているのか、それとも進化しているのか？

主な発見

• 1 mm未満の粒子からなるダスト質量は2.1×10⁻⁷ M⊙、1 cmまでの粒子を含むと4.9×10⁻⁶ M⊙であった。
• 準位線放射とCOデータに基づき、ガス質量は2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙に制約された。
• 環状クロノネン（C₁₅₀H₃₀）を仮定した場合、PAH質量は2×10⁻¹¹から1.4×10⁻¹⁰ M⊙と推定され、星間媒体と比較して2–3桁低い濃度であった。
• [O I] 63 μmライン輝度がモデルで過剰に予測されていることから、酸素化学または励起条件に問題がある可能性が示唆された。
• 円盤の開口角は10°未満の平坦な構造であり、ガス対ダスト質量比は100と一致しており、ガスとダストの同時に散逸している可能性を支持する。
• 他のGASPSサンプルに属するヘーシェルA型星と比較して、ガスおよびダスト質量はやや低いが、ガス対ダスト比は初期の星間物質値に近いまま維持されている。