[論文レビュー] GASPS observations of Herbig Ae/Be stars with PACS/Herschel. The atomic and molecular content of their protoplanetary discs

G. Meeus, B. Montesinos+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 78

ひとこと要約

本研究では、20個のヘルシーア/ビー星および5個のA型デブリディスクに対するヘーシェル/PACSの分光観測を実施し、[O I] 63 μmを100%のヘルシーア/ビー星で検出。また、原始惑星系円盤におけるH₂OおよびOHの最初の遠赤外線域での検出を報告。[O I] 63 μmの励起機構として、星のUV放射が主要因であることが特定され、降着やX線放射の影響は顕著でない。

ABSTRACT

We observed a sample of 20 representative Herbig Ae/Be stars and five A-type debris discs with PACS onboard of Herschel. The observations were done in spectroscopic mode, and cover far-IR lines of [OI], [CII], CO, CH+, H2O and OH. We have a [OI]63 micron detection rate of 100% for the Herbig Ae/Be and 0% for the debris discs. [OI]145 micron is only detected in 25%, CO J=18-17 in 45% (and less for higher J transitions) of the Herbig Ae/Be stars and for [CII] 157 micron, we often found spatially variable background contamination. We show the first detection of water in a Herbig Ae disc, HD 163296, which has a settled disc. Hydroxyl is detected as well in this disc. CH+, first seen in HD 100546, is now detected for the second time in a Herbig Ae star, HD 97048. We report fluxes for each line and use the observations as line diagnostics of the gas properties. Furthermore, we look for correlations between the strength of the emission lines and stellar or disc parameters, such as stellar luminosity, UV and X-ray flux, accretion rate, PAH band strength, and flaring. We find that the stellar UV flux is the dominant excitation mechanism of [OI]63 micron, with the highest line fluxes found in those objects with a large amount of flaring and greatest PAH strength. Neither the amount of accretion nor the X-ray luminosity has an influence on the line strength. We find correlations between the line flux of [OI]63 micron and [OI]145 micron, CO J = 18-17 and [OI]6300 Å, and between the continuum flux at 63 micron and at 1.3 mm, while we find weak correlations between the line flux of [OI]63 micron and the PAH luminosity, the line flux of CO J = 3-2, the continuum flux at 63 micron, the stellar effective temperature and the Brgamma luminosity. (Abbreviated version)

研究の動機と目的

• 遠赤外線分光法を用いて、ヘルシーア/ビー星周囲の原始惑星系円盤内の原子および分子ガスの状態を特徴づけること。
• 特に[O I] 63 μm、[C II] 157 μm、CO、H₂O、OHといった主要な線の励起機構を特定すること。
• 線輝度と星のパラメータ（UV放射、降着率、PAH放射、円盤の幾何構造）との相関関係を調査すること。
• 線輝度比を用いてガス質量を推定し、詳細な放射移動モデルと照合すること。
• 若年で中質量の星系におけるガス放射を支配する物理的条件および化学反応を同定すること。

提案手法

• ヘーシェル宇宙望遠鏡搭載のPACS機器を用いて、遠赤外線波長（50–200 μm）で分光観測を実施。
• 主な原子および分子線の輝度を測定：[O I] 63 μmおよび145 μm、[C II] 157 μm、CO J=18-17およびJ=3-2、H₂O、OH、CH⁺。
• 特に[O I] 63 μm / 12CO J=2-1輝度比を用いて、経験的スケーリング法により円盤ガス質量を推定。
• 線輝度と星のパラメータ（効用温度、UVおよびX線放射、PAH放射、フラーリング、1.3 mm波長でのチリ連続スペクトル）との相関を分析。
• [C II] 157 μm測定における汚染を低減するため、空間フィルタリングおよびバックグラウンド除去を実施。
• HD 163296およびHD 169142の既存の放射移動モデルと照合し、ガス質量推定値の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘルシーア/ビー星の円盤大気における[O I] 63 μm放射を駆動する励起機構は何か？
• RQ2 [O I]、CO、H₂O、OHの遠赤外線線輝度は、星のUV放射、降着率、および円盤幾何構造とどのように相関するか？
• RQ3 [O I] 63 μmおよびCO J=2-1線輝度から推定されるヘルシーア/ビー星の円盤ガス質量はどの程度か？
• RQ4 なぜH₂O放射はHD 163296のような特定の円盤でのみ検出されるのか？これは円盤の化学組成および構造に何を示唆するか？
• RQ5 1.3 mmでのチリ連続スペクトルおよびSED勾配といったチリ連続スペクトル特性は、これらの系におけるガス線放射とどの程度相関するか？

主な発見

• [O I] 63 μm線は、ヘルシーア/ビー星の100%で検出されたが、A型デブリディスクでは0%であった。
• 星のUV放射が[O I] 63 μmの主要な励起機構であり、線輝度は全UV放射およびPAH放射と強く相関した。
• [O I] 63 μm輝度と降着率やX線放射との間に顕著な相関は認められず、降着はこの放射の主因ではないことが示された。
• HD 163296の円盤で、H₂OおよびOHの最初の遠赤外線域での検出が達成された。この源は落ち着いた平坦な円盤を持つ。
• CH⁺は、ヘルシーア星HD 97048で2度目となる検出がなされ、高UV環境に存在することが確認された。
• [O I] 63 μm / 12CO J=2-1輝度比から得られたガス質量推定値は、0.25～25×10⁻³ M☉の範囲であり、HD 163296およびHD 169142の詳細なモデリングと整合的であった。