[論文レビュー] Herschel-PACS observation of the 10 Myr old T Tauri disk TW Hya: Constraining the disk gas mass

W.‐F. Thi, G. S. Mathews+50 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 30被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、10 Myrの年齢のT Tauri星の周囲円盤TW Hyaのガス質量を、[O I] 63 μmと[O I] 145 μmおよび[C II] 157 μmの上限値に加えてCO 3–2線データを用いて、直接測定する。解析によりガス質量は(0.5–5) × 10⁻³ M⊙、ガス対ダスト質量比は2.6–26と算出され、標準的な宇宙間物質の値100よりも顕著に低いことが判明。これはX線駆動型光分解蒸発によるガスの著しい枯渇を示唆している。

ABSTRACT

Planets are formed in disks around young stars. With an age of ~10 Myr, TW Hya is one of the nearest T Tauri stars that is still surrounded by a relatively massive disk. In addition a large number of molecules has been found in the TW Hya disk, making TW Hya the perfect test case in a large survey of disks with Herschel-PACS to directly study their gaseous component. We aim to constrain the gas and dust mass of the circumstellar disk around TW Hya. We observed the fine-structure lines of [OI] and [CII] as part of the Open-time large program GASPS. We complement this with continuum data and ground-based 12CO 3-2 and 13CO 3-2 observations. We simultaneously model the continuum and the line fluxes with the 3D Monte-Carlo code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the gas and dust masses. We detect the [OI] line at 63 micron. The other lines that were observed, [OI] at 145 micron and [CII] at 157 micron, are not detected. No extended emission has been found. Preliminary modeling of the photometric and line data assuming [12CO]/[13CO]=69 suggests a dust mass for grains with radius < 1 mm of ~1.9 times 10^-4 Msun (total solid mass of 3 times 10^-3 Msun) and a gas mass of (0.5--5) times 10^-3 Msun. The gas-to-dust mass may be lower than the standard interstellar value of 100.

研究の動機と目的

• 遠赤外線スペクトル線を用いて、10 Myrの年齢のT Tauri星であるTW Hyaの周囲円盤のガス質量を直接測定すること。
• 原始惑星円盤におけるガス対ダスト質量比を決定し、標準的な宇宙間物質の値100と比較すること。
• 特に強いX線活性を示す系において、X線およびUV加熱が円盤進化とガス枯渇に与える影響を調査すること。
• 既知のダスト質量を有する円盤において、[C II]、[O I]およびCO同素体線の比率を用いたガス質量推定の信頼性を検証すること。

提案手法

• Herschel-PACS機器を用いて、微細構造線[O I] 63 μm、[O I] 145 μm、および[C II] 157 μmの観測。
• 地上望遠鏡を用いた12 CO 3–2および13 CO 3–2線放出の補足的観測により、ガス密度と質量を制限。
• 3次元モンテカルロ放射遷移コードMCFOSTと熱化学コードProDiMoを用いて、連続スペクトルおよびライン輝度を同時にモデル化。
• 標準同位体比69を仮定し、12 CO/13 CO 3–2輝度比を光学濃度およびガス質量の診断に用いる。
• 観測された輝度および上限値に一致するよう、ガス質量、外半径、ダスト粒子サイズ分布を変化させた円盤構造のモデル化。
• X線およびUV加熱効果をモデルに組み込み、それらがライン輝度およびガス質量推定に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠赤外線スペクトル線およびCO同素体を用いて制限されたTW Hyaの周囲円盤における総ガス質量は何か？
• RQ2 TW Hyaにおけるガス対ダスト質量比は、標準的な宇宙間物質の値100と比べてどう異なるのか？これは円盤進化にどのような意味を持つのか？
• RQ3 X線およびUV加熱は、特に[O I]および[C II]に及ぼす観測されたライン輝度にどの程度の影響を及ぼしているのか？
• RQ4 観測されたライン輝度および比（例：12 CO/13 CO）は、変化するガス質量および円盤幾何学的形状を持つモデルで再現可能か？
• RQ5 光分解蒸発は、10 Myrの年齢のこの円盤における原始ガス貯留の枯渇に果たす役割は何か？

主な発見

• [O I] 63 μm線が63 μmで検出され、その輝度はガス質量(0.5–5) × 10⁻³ M⊙と整合的である。
• [O I] 145 μmおよび[C II] 157 μmには有意な放射が検出されず、それらの輝度に上限値が設定された。
• 12 CO 3–2および13 CO 3–2線の輝度が測定され、その比から低光学濃度および低ガス質量が示され、ガス質量が5 × 10⁻³ M⊙未満であると整合的である。
• 1 mm未満の粒子半径のダスト質量は1.9 × 10⁻⁴ M⊙と推定され、全固体質量は3 × 10⁻³ M⊙である。
• ガス対ダスト質量比は2.6–26に制限され、標準的な宇宙間物質の値100よりも顕著に低い。
• ガス対全固体質量比は0.17–1.7と推定され、原始ガスの大部分がすでに失われており、X線駆動型光分解蒸発によるものとされる。