[논문 리뷰] CO ro-vibrational lines in HD100546: A search for disc asymmetries and the role of fluorescence

R. P. Hein Bertelsen, I. Kamp외 6명|2013. 11. 21.

Thermodynamic properties of mixtures인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLT/CRIRES 분광법을 사용하여 HD100546의 원형행성형 원반에서 CO 회전-진동 방출을 분석하며, 여덟 개의 위치각을 통해 시행하였다. 그 결과, 방출은 주로 원반 벽(10–13 AU)에서 기인하는 것으로 나타났다. 모델은 선형형태와 v=1–0 복사원소를 약 두 배 이내로 재현하지만, 높은 진동 밴드 복사원소는 약 10배 정도 과소평가하여 자외선 형광 주입이 부족함을 시사한다. 내부 가장자리에서 낮은 기체 부피 밀도는 관측된 밴드 비율과 진동 온도(~3000 K)와의 일치를 향상시키며, 이는 형광 효율성을 높이는 수직으로 확장된 낮은 밀도층이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

We have studied the emission of CO ro-vibrational lines in the disc around the Herbig Be star HD100546 with the final goal of using these lines as a diagnostic to understand inner disc structure in the context of planet formation. High-resolution IR spectra of CO ro-vibrational emission at eight different position angles were taken with CRIRES at the VLT. From these spectra flux tables, CO ro-vibrational line profiles, and population diagrams were produced. We have investigated variations in the line profile shapes and line strengths as a function of slit position angle. We used the thermochemical disc modelling code ProDiMo based on the chemistry, radiation field, and temperature structure of a previously published model for HD100546. Comparing observations and the model, we investigated the possibility of disc asymmetries, the excitation mechanism (UV fluorescence), the geometry, and physical conditions of the inner disc. The observed CO ro-vibrational lines are largely emitted from the inner rim of the outer disc at 10-13 AU. The line shapes are similar for all v levels and line fluxes from all vibrational levels vary only within one order of magnitude. All line profile asymmetries and variations can be explained with a symmetric disc model to which a slit correction and pointing offset is applied. Because the angular size of the CO emitting region (10-13 AU) and the slit width are comparable the line profiles are very sensitive to the placing of the slit. The model reproduces the line shapes and the fluxes of the v=1-0 lines as well as the spatial extent of the CO ro-vibrational emission. It does not reproduce the observed band ratios of 0.5-0.2 with higher vibrational bands. We find that lower gas volume densities at the surface of the inner rim of the outer disc can make the fluorescence pumping more effcient and reproduce the observed band ratios.

연구 동기 및 목표

• HD100546 원반의 CO 회전-진동 방출의 공간적 기원과 물리 조건을 규명하는 것.
• 자외선 형광이 CO 회전-진동 전이를 자극하는 데 미치는 역할을 평가하는 것.
• 원반 비대칭성과 슬릿 배치 효과가 관측된 선형형태에 미치는 영향을 조사하는 것.
• ProDiMo 열화학 모델이 관측된 CO 선 복사원소와 밴드 비율을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• CO 회전-진동 선이 내부 원반 구조와 행성 형성 탐사에 있어 진단 가능성의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• VLT의 CRIRES를 사용하여 고스펙트럼 해상도의 적외선 분광법으로 CO 회전-진동 선을 측정하였으며, 여덟 개의 위치각에서 시행되었다.
• 관측된 스펙트럼에서 선형형태, 복사원소 표, 그리고 분포도를 구성하여 선형형태의 형태와 복사원소 변화를 분석하였다.
• HD100546를 위한 ProDiMo 열화학 원반 모델을 사용하였으며, 7개의 진동 수준과 60개의 회전 수준을 가진 큰 CO 분자를 포함하였다.
• 모델링된 선 복사원소와 선형형태를 관측 결과와 비교하였으며, 빔 스메어링과 조준 오차를 보정하기 위해 슬릿 보정을 적용하였다.
• 내부 가장자리에서 기체 부피 밀도를 낮춘 모델을 수정하여 형광 효율성과 밴드 비율 재현 능력을 테스트하였다.
• 공간적 프로파일을 관측된 PSF로 콘볼루션하여 비교 정확도를 향상시켰지만, 전체 PSF 콘볼루션은 아직 진행 중인 작업이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO 회전-진동 방출은 원반의 어디에서 주로 기인하며, 그 자극을 이끄는 물리 조건은 무엇인가?
• RQ2 관측된 선형형태의 비대칭성은 진정한 원반 비대칭성인지, 또는 기구적/슬릿 기하학적 효과의 결과인지 어느 정도인가?
• RQ3 자외선 형광만으로 관측된 CO 회전-진동 밴드 비율, 특히 낮은 v=2–1 대 v=1–0 복사원소 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ4 기체 밀도와 수직 구조의 변화가 원반 내부 가장자리에서 자외선 형광 주입 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 슬릿 배치와 너비의 변화가 공간 해상도가 있는 CO 회전-진동 분광법에서 관측된 선형형태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CO 회전-진동 방출은 주로 외부 원반의 내부 가장자리(10–13 AU)에서 기인하며, 원반 벽의 구조와 일치한다.
• 모든 진동 및 회전 수준에서 선형형태가 유사하며, 복사원소는 약 10배 이내로 변동하여 균일한 자극 환경을 나타낸다.
• 관측된 선형형태의 비대칭성과 변화는 내재된 비대칭성이 아니라 대칭적 원반 모델에 슬릿 보정과 조준 오차를 적용한 결과로 완전히 설명된다.
• 모델은 관측된 선형형태와 v=1–0 복사원소를 약 두 배 이내로 재현하여 방출 영역의 공간적 범위를 확인한다.
• 높은 진동 밴드(예: v=2–1)는 모델에서 복사원소가 10배 정도 과소평가되어 자외선 형광 주입이 부족함을 시사한다.
• 원반의 내부 가장자리에서 기체 부피 밀도를 낮추면 관측된 밴드 비율과 진동 온도(~3000 K)와의 일치가 향상되며, 이는 수직으로 확장된 낮은 밀도층이 형광 효율성을 높인다는 것을 시사한다.