[論文レビュー] The Herschel view of Gas in Protoplanetary Systems (GASPS). First comparisons with a large grid of models

C. Pinte, P. Woitke+50 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|May 20, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、MCFOSTとProDiMoを組み合わせた放射平衡および化学モデルのグリッド（DENT）を用いて、原始惑星系円盤のガスを解釈する。Herschel GASPS観測データに対して、[OI] 63 μm線とCO回転線、連続スペクトルの組み合わせが、特にCO線が高質量で飽和する状況においても、ガス質量の推定とデゲネラシーの解消に不可欠であることを示している。

ABSTRACT

The Herschel GASPS Key Program is a survey of the gas phase of protoplanetary discs, targeting 240 objects which cover a large range of ages, spectral types, and disc properties. To interpret this large quantity of data and initiate self-consistent analyses of the gas and dust properties of protoplanetary discs, we have combined the capabilities of the radiative transfer code MCFOST with the gas thermal balance and chemistry code ProDiMo to compute a grid of 300 000 disc models (DENT). We present a comparison of the first Herschel/GASPS line and continuum data with the predictions from the DENT grid of models. Our objective is to test some of the main trends already identified in the DENT grid, as well as to define better empirical diagnostics to estimate the total gas mass of protoplanetary discs. Photospheric UV radiation appears to be the dominant gas-heating mechanism for Herbig stars, whereas UV excess and/or X-rays emission dominates for T Tauri stars. The DENT grid reveals the complexity in the analysis of far-IR lines and the difficulty to invert these observations into physical quantities. The combination of Herschel line observations with continuum data and/or with rotational lines in the (sub-)millimetre regime, in particular CO lines, is required for a detailed characterisation of the physical and chemical properties of circumstellar discs.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤のガスに関するHerschel GASPSキープログラムの大規模データセットを、包括的な物理モデルのグリッドを用いて解釈すること。
• DENTモデルグリッドの予測能力を、実際に観測された遠赤外線線および連続スペクトルと比較して検証すること。
• 観測上のデゲネラシーにかかわらず、円盤ガス質量およびガス・ダスト質量比を信頼性高く推定できる経験的診断指標を同定すること。
• 異なる星種（Herbig型とT Tauri型）における星のUV、X線、およびUV過剰が、円盤ガスの加熱に果たす相対的な役割を評価すること。
• [OI] 63 μmと低J CO線の相乗効果が、温かい内側円盤領域と外側円盤成分を効果的に探査できるかを評価すること。

提案手法

• MCFOST放射移動コードとProDiMoコードを結合し、原始惑星系円盤内のガス熱平衡および化学をシミュレートした。
• 広範な星種、円盤年齢、および物理パラメータをカバーする約300,000個の円盤モデルのグリッドを生成した。
• DENTグリッドを用いて、[OI] 63 μmおよび867 μmのCO J=3→2遷移のような主要な遠赤外線遷移の線輝度を予測した。
• モデル予測を実際のHerschel観測と比較し、モデルのトレンドを検証するとともに、重要な診断指標を同定した。
• 自己遮蔽効果がCO濃度計算に与える影響を評価したが、その取り扱いには限界があることに言及した。
• 観測診断（例：[OI] 63 μm、CO J=3→2、連続スペクトル）を組み合わせることで、円盤質量推定におけるパラメータのデゲネラシーを解消した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる星種（Herbig型対T Tauri型）からのUVおよびX線放射が、原始惑星系円盤内のガス加熱にどのように影響するか？
• RQ2 CO線が飽和する状況においても、[OI] 63 μm線が円盤ガス質量の信頼できる代理指標として使用可能である程度はどの程度か？
• RQ3 連続スペクトルおよびCO回転線が、円盤の物理的・化学的構造を制約するために果たす役割は何か？
• RQ4 ガス質量、ガス・ダスト質量比、光学的厚さの間のデゲネラシーが、線観測の逆問題による物理的パラメータの推定にどのように影響するか？
• RQ5 [OI] 63 μmと（準）ミリ波長CO線の組み合わせが、高質量円盤における飽和問題を克服できるか？

主な発見

• Herbig星では、光球面からのUV放射がガス加熱の主要因であるが、T Tauri星ではUV過剰および／またはX線が支配的である。
• [OI] 63 μm線は、内側10–30 AUの温かいガスに強く感受され、円盤パラメータ推定におけるデゲネラシーの解消に不可欠な診断指標である。
• 遠赤外線過剰を示す円盤の大部分は、連続スペクトル過剰と線輝度の強い相関があるため、Herschelで[OI] 63 μmで検出可能であると予想される。
• サンプルの多くはガス豊富であり、ガス・ダスト質量比は10を上回るが、散乱および光学的厚さの影響により、個々の推定値は非常に不確実である。
• CO J=3→2線輝度は高ガス質量で飽和するため、高質量円盤の質量推定には使用が制限されるが、[OI] 63 μmや13CO、C18Oのような低濃度同素体と組み合わせることで、このデゲネラシーを克服できる。
• [OI] 63 μmと低J CO線の組み合わせは、特に空間分解が可能な場合に、内側と外側円盤領域を補完的に探査するのに有効である。