[論文レビュー] The Far-Ultraviolet

Eric Schindhelm, Eric B. Burgh+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

Hubble Space TelescopeのCosmic Origins Spectrographを用いて、この研究では、古典的T Tauri星HN Tau、RECX-11、V4046 Sgrの原始惑星系円盤で、初めて遠紫外域のCO吸収および発光線を検出する。吸収状態ではCOの柱密度が約2 × 10¹⁷ cm⁻²、回転温度が約500 Kであることが判明し、Lyαポンプ発光状態では柱密度が10¹⁸–10¹⁹ cm⁻²に達し、温度が300 K以上である。これは内側の円盤でCO/H₂比が約1であることを示唆している。

ABSTRACT

We exploit the high sensitivity and moderate spectral resolution of the $HST$-Cosmic Origins Spectrograph to detect far-ultraviolet spectral features of carbon monoxide (CO) present in the inner regions of protoplanetary disks for the first time. We present spectra of the classical T Tauri stars HN Tau, RECX-11, and V4046 Sgr, representative of a range of CO radiative processes. HN Tau shows CO bands in absorption against the accretion continuum. We measure a CO column density and rotational excitation temperature of N(CO) = 2 +/- 1 $ imes$ 10$^{17}$ cm$^{-2}$ and T_rot(CO) 500 +/- 200 K for the absorbing gas. We also detect CO A-X band emission in RECX-11 and V4046 Sgr, excited by ultraviolet line photons, predominantly HI LyA. All three objects show emission from CO bands at $\lambda$ $>$ 1560 \AA, which may be excited by a combination of UV photons and collisions with non-thermal electrons. In previous observations these emission processes were not accounted for due to blending with emission from the accretion shock, collisionally excited H$_{2}$, and photo-excited H2; all of which appeared as a continuum whose components could not be separated. The CO emission spectrum is strongly dependent upon the shape of the incident stellar LyA emission profile. We find CO parameters in the range: N(CO) 10$^{18-19}$ cm$^{-2}$, T_{rot}(CO) > 300 K for the LyA-pumped emission. We combine these results with recent work on photo- and collisionally-excited H$_{2}$ emission, concluding that the observations of ultraviolet-emitting CO and H2 are consistent with a common spatial origin. We suggest that the CO/H2 ratio in the inner disk is ~1, a transition between the much lower interstellar value and the higher value observed in solar system comets today, a result that will require future observational and theoretical study to confirm.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤の内側領域、すなわち惑星形成が進行する領域における遠紫外域COスペクトル特徴の検出および特徴づけを目的とする。
• 以前の観測でCO発光が降着衝撃、H₂、連続スペクトルと重なっており曖昧であった問題を解消することを目的とする。
• これらの円盤におけるCOの励起機構を特定し、UVポンピング（Lyα）と衝突励起の違いを区別することを目的とする。
• 内側円盤におけるCO/H₂濃度比を推定し、宇宙間および彗星の値と比較することを目的とする。

提案手法

• Hubble Space TelescopeのCosmic Origins Spectrograph（HST/COS）による高感度・中分解能の遠紫外スペクトルを用いた。
• 1560 Åより長い波長で、HN Tauでは吸収、RECX-11およびV4046 Sgrでは発光としてCO A-X電子遷移を分析した。
• 吸収帯の深さから回転温度診断および柱密度測定を用いてCO励起をモデル化した。
• 観測されたCO発光プロファイルと星のLyα発光プロファイルの形状を比較することで、励起機構を推定した。
• 最近のH₂発光データと組み合わせ、UV励起種の空間的・物理的起源を制約した。
• 放射線輸送および励起モデルを用いて、Lyαポンプ発光と衝突励起発光を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤の内側領域におけるCOガスの物理的状態（温度、柱密度）は何か？
• RQ2 遠紫外域におけるCOの主な励起機構は何か。また、星のLyαプロファイルにどのように依存するか？
• RQ3 遠紫外域のCO発光は、降着衝撃やH₂と混合された発光源から分離可能か？
• RQ4 内側円盤におけるCO/H₂濃度比は何か。宇宙間および彗星の値と比較するとどうなるか？
• RQ5 UV励起COとH₂は、共通の空間的起源を持つのか？

主な発見

• HN TauではCO吸収特徴が検出され、柱密度N(CO) = 2 ± 1 × 10¹⁷ cm⁻²、回転温度T_rot(CO) = 500 ± 200 Kであった。
• RECX-11およびV4046 SgrではCO A-Xバンド発光が検出され、柱密度は10¹⁸～10¹⁹ cm⁻²の範囲にあり、回転温度は300 Kを超えていた。
• CO発光の主な励起機構は星のLyα光子によるものであり、非熱的電子との衝突寄与も一部存在した。
• 入射Lyα発光プロファイルの形状が、観測されたCO発光スペクトルに強く影響していた。
• 観測されたCOおよびH₂発光は、共通の内側円盤由来であると整合的であり、共通の励起機構を示唆した。
• 内側円盤における推定CO/H₂比は約1であり、宇宙間の低値から太陽系の彗星で観測される高い値への移行を示している。