[논문 리뷰] Bright CO ro-vibrational emission lines in the class I source GSS 30 IRS1: Probing the inner disk of a young embedded star

K. M. Pontoppidan, F. L. Schoeier외 2명|ArXiv.org|2002. 07. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 임베디드 클래스 I 젊은 항성체 GSS 30 IRS1에서 4.5–4.8 μm 대역의 강한 로-비브라셔널 CO 복사선을 처음으로 검출하였다. 이 복사선은 515 ± 5 K의 단일 온도 기체에서 기인하며, 내부 디스크(10–50 AU)의 밀도가 높고 분해가 일어나는 축적 충격에서 발생하는 이중성 캐비티 내 산란에 의해 가장 잘 설명된다. 총 기체 질량은 1–100 M⊕이며, 물리적 크기는 20–100 AU이다.

ABSTRACT

We present a 4.5-4.85 micron R=5000 spectrum of the low mass class I young stellar object GSS 30 IRS1 (L=25L_sun) in the rho Ophiuchus core, observed with the infrared spectrometer (ISAAC) on the Very Large Telescope (VLT-UT1). Strong line emission from the ro-vibrational transitions of 12CO and 13CO is detected. In total more than 40 distinct lines are seen in the covered region. The line emission is spatially extended and detected up to 2" = 320 AU from the central source but is spectrally unresolved (Delta v < 30 km/s). This is the first time strong emission in the fundamental ro-vibrational band from CO has been observed from an embedded young stellar object. The line fluxes were modeled using a 1-dimensional full radiative transfer code, which shows that the emission is fully consistent with a gas in LTE at a single well constrained temperature (T=515+/-5 K). Furthermore, the ratios between lines from the two detected isotopic species of CO show that the 12CO lines must be optically thick. However, this is inconsistent with the observed spatial extent of the emission, since this implies such low CO column densities that the lines are optically thin. A likely solution to the discrepancy is that the lines are emitted by a smaller more dense region and then scattered in the bipolar cavity present around the central star. This gives a rough estimate of the total molecular gas mass of 1-100 M_earth and a physical extent of ~20-100 AU. We propose that the most likely origin of the line emission is post-shocked gas in a dense dissociative accretion shock from the inner 10-50 AU of a circumstellar disk. The presence of a shock capable of dissociating molecules in the disk will have implications for the chemical evolution of disks around young low mass stars.

연구 동기 및 목표

• 임베디드 클래스 I 젊은 항성체 GSS 30 IRS1에서 4.5–4.8 μm 대역의 강한 로-비브라셔널 CO 복사선 기원을 규명하는 것.
• 내부 디스크 영역의 복사선을 방출하는 기체의 물리적 조건(온도, 열량 밀도, 투과도)을 결정하는 것.
• 관측된 선 투과도와 공간적 확장도 사이의 모순을 해결하는 것. 이는 단일 방출 영역으로서 설명될 수 없다.
• 축적 충격이 저질량 젊은 항성 주위의 태양계 형성 디스크의 화학적 및 물리적 진화에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• VLT-UT1의 ISAAC 스펙트로미터를 사용하여 GSS 30 IRS1의 고해상도(R = 5,000) 적외선 스펙트럼을 확보하였다.
• M-대역(4.5–4.8 μm)에서 12CO 및 13CO의 40개 이상의 고유한 로-비브라셔널 전이를 확인하였다.
• 지역 열역학적 평형(LTE)을 가정하여 1차원 전체 복사선 전달 코드를 적용하여 선 복사선을 모델링하였다.
• 관측된 12CO/13CO 선 강도 비율을 사용하여 투과도를 추정하고 열량 밀도를 제약 조건으로 설정하였다.
• 관측된 공간적 확장도(최대 2 arcsec = 320 AU)와 높은 투과도를 동시에 만족시키기 위해 산란 모델을 탐색하였다.
• 다른 시나리오, 특히 이중 온도 기체 분포를 평가하였으나, 관측 결과와 부합하지 않아 이를 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GSS 30 IRS1에서 관측된 CO 로-비브라셔널 선 스펙트럼을 재현하기 위해 필요한 물리적 조건(온도, 밀도, 투과도)은 무엇인가?
• RQ2 왜 복사선은 공간적으로 확장되어 있음(최대 320 AU)이지만 스펙트럼적으로는 해상도가 낮음(Δv < 30 km s⁻¹)이며, 이는 높은 투과도와 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 낮은 열량 밀도 영역에서 고온도 기체(약 515 K)와 높은 투과도를 동시에 만족시키는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 관측된 복사선은 내부 디스크의 충격과 일치하는가? 만약 그렇다면, 이는 디스크 화학 및 축적 역학에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• CO 로-비브라셔널 복사선은 515 ± 5 K의 단일 온도 기체로 가장 잘 모델링되며, CO 열량 밀도는 2 ± 0.5 × 10¹⁸ cm⁻²이다.
• 12CO 선은 투과도가 높지만, 관측된 공간적 확장도(320 AU)는 낮은 열량 밀도를 암시하여 모순을 일으킨다.
• 이 모순은 산란 모델을 통해 해결된다: 복사선은 작은 밀도 높은 영역에서 기인하며, 이중성 캐비티 내에서 산란된다.
• 관측된 선 강도와 비율은 이중 온도 기체 분포와 부합하지 않으며, 이러한 모델은 배제된다.
• 복사선은 내부 디스크(10–50 AU)의 고밀도 축적 유동에서 발생하는 J-충격에 의해 가장 타당하게 설명된다.
• 충격 시나리오는 상당한 분자 분해를 암시하며, 저질량 YSO의 내부 디스크에서 화학적 진화에 중요한 함의를 갖는다.