[論文レビュー] Radiation thermo-chemical models of protoplanetary discs. IV Modelling CO ro-vibrational emission from Herbig Ae discs

W.‐F. Thi, I. Kamp+4 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 29, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 89被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、ProDiMoに包括的な放射熱化学モデルを構築し、ヘルビッグAe原始惑星系円盤におけるCOの振動-回転励起放射をシミュレートした。モデルには、9つの振動状態にわたる最大50個の回転準位と、H₂、H、He、および電子との衝突率を含めた。主な発見は、UV励起蛍光ポンプが高振動準位（v = 1–9）を効率的に励起し、特に低質量円盤において、気体の力学的温度を超える上熱的振動温度を生じることである。一方、赤外線励起と衝突過程が回転準位の分布を決定づけ、光学的厚さの高い12CO v=1–0線は推定された温度に歪みをもたらす。

ABSTRACT

The carbon monoxide rovibrational emission from discs around Herbig Ae stars and T Tauri stars with strong ultraviolet emissions suggests that fluorescence pumping from the ground X1 Sigma+ to the electronic A1 Pi state of CO should be taken into account in disc models. We implemented a CO model molecule that includes up to 50 rotational levels within nine vibrational levels for the ground and A excited states in the radiative photochemical code ProDiMo. We took CO collisions with hydrogen molecules, hydrogen atoms, helium, and electrons into account. We estimated the missing collision rates using standard scaling laws and discussed their limitations. UV fluorescence and IR pumping impact on the population of ro-vibrational v > 1 levels. The v = 1 rotational levels are populated at rotational temperatures between the radiation temperature around 4.6 micron and the gas kinetic temperature. The UV pumping efficiency increases with decreasing disc mass. The consequence is that the vibrational temperatures, which measure the relative populations between the vibrational levels, are higher than the disc gas kinetic temperatures (suprathermal population). Rotational temperatures from fundamental transitions derived using optically thick 12CO lines do not reflect the gas kinetic temperature. CO pure rotational levels with energies lower than 1000 K are populated in LTE but are sensitive to a number of vibrational levels included in the model. The 12CO pure rotational lines are highly optically thick for transition from levels up to Eupper=2000 K. (abridged)

研究の動機と目的

• ヘルビッグAe円盤におけるCOの振動-回転励起放射の励起機構、特に高励起振動準位および回転準位の理解を深めること。
• X¹Σ⁺からA¹Π電子遷移に起因するUV励起蛍光ポンプが、高振動準位（v = 1–9）を励起する役割を評価すること。
• 赤外線（IR）ポンプおよび衝突過程が振動準位および回転準位の分布に与える影響を定量化すること。
• 気体の力学的温度を推定するための、光学的厚さの高い12CO v=1–0線からの回転温度の信頼性を評価すること。
• 衝突率係数の不確実性が予測されるCO線輝度に与える影響を検証すること。

提案手法

• ProDiMo放射熱化学コードに、9つの振動準位にわたる基底状態（X¹Σ⁺）および励起状態（A¹Π）の最大50個の回転準位を含む完全なCOモデルを実装した。
• H₂、H、He、および電子との衝突率係数を組み込み、欠落している値についてはスケーリング則を用いて推定した。
• ボイチ線幅関数を用いた非局所熱平衡（non-LTE）線放射輸送を解き、気体の熱平衡および化学反応ネットワーク計算と連成した。
• 質量（10⁻²、10⁻⁴ M⊙）と内半径（1、20 AU）を変化させた4つの円盤モデルをシミュレートし、円盤構造依存性を評価した。
• モデル予測を、ヘルビッグAe円盤からの観測CO線輝度および振動温度診断と比較した。
• 空間的・スペクトル的分解能のあるCO、13CO、C18O、C17Oデータを用いて、光学的厚さの効果を分離する制約条件とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV励起蛍光ポンプは、ヘルビッグAe円盤の大気において、高振動準位（v = 1–9）を効率的に励起できるか？
• RQ2 赤外線励起と衝突過程は、温かい円盤領域におけるCOの回転および振動励起にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 なぜ観測された振動温度がヘルビッグAe円盤において気体の力学的温度を超えるのか？その上熱的励起を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ4 衝突率係数の不確実性が予測されるCO線輝度および導出温度に与える影響はどの程度か？
• RQ5 光学的厚さの高い12CO v=1–0線は、円盤モデルにおいて真の気体の力学的温度をどの程度歪めるか？

主な発見

• UV励起蛍光ポンプが高振動準位（v = 1–9）を効率的に励起し、気体の力学的温度を超える振動温度（T_vib）を生じさせ、上熱的励起を示している。
• UVポンプ効率は円盤質量が小さくなるほど向上し、特に低質量円盤（M_disc < 10⁻³ M⊙）において最も効果的である。この場合、衝突による脱励起が不十分であるためである。
• v=1状態の回転準位は、4.6 μm放射温度と気体の力学的温度の間の温度で励起されており、回転励起が準熱的であることを示している。
• 光学的厚さの高い12CO v=1–0線は、導出される回転温度が真の気体の力学的温度を反映しないことを示しており、特に高J準位で顕著である。
• 衝突率係数の不確実性が1桁の範囲にわたる場合、輝度に最大20％の変動が生じ、入力データへの感受性が強いことを示している。
• エネルギーが1000 K未満の純粋回転準位は局所熱平衡（LTE）にあるが、その分布はモデルに含める振動準位数に敏感であり、特に光学的厚さが高い状態で顕著である。