[논문 리뷰] FUV and X-ray irradiated protoplanetary disks: a grid of models II - Gas diagnostic line emission

G. Aresu, R. Meijerink외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 중심 항성으로부터의 극자외선(FUV) 및 X선 조사가 [O i] 63 μm, [C ii] 157 μm, [Ne ii] 12.8 μm, [Ar ii], 그리고 H₂O 회전선과 같은 기체 트레이서의 미세구조선 방출에 미치는 영향을 조사하기 위해 240개의 프로플라네타리 디스크 모델을 제시한다. 주요 발견은 L_X > 10³⁰ erg s⁻¹일 때 [O i] 63 μm 방출이 낮은 X선 빛의 세기에서 FUV에 의해 지배되던 것이 X선에 의해 지배되는 것으로 전환된다는 것이다. 반면 [C ii]는 주로 C⁺ 생성을 통해 FUV에 의해 주도되며, [Ne ii]는 X선과 강하게 상관관계를 보이며, 디스크 대기와 내부 가장자리에서의 방출을 나타내는 이중피크 선형형태를 보인다.

ABSTRACT

Most of the mass in protoplanetary disks is in the form of gas. The study of the gas and its diagnostics is of fundamental importance in order to achieve a detailed description of the thermal and chemical structure of the disk. The radiation from the central star (from optical to X-ray wavelengths) and viscous accretion are the main source of energy and dominates the disk physics and chemistry in its early stages. This is the environment in which the first phases of planet formation will proceed. We investigate how stellar and disk parameters impact the fine-structure cooling lines [NeII], [ArII], [OI], [CII] and H2O rotational lines in the disk. These lines are potentially powerful diagnostics of the disk structure and their modelling permits a thorough interpretation of the observations carried out with instrumental facilities such as Spitzer and Herschel. Following Aresu et al. (2011), we computed a grid of 240 disk models, in which the X-ray luminosity, UV-excess luminosity, minimum dust grain size, dust size distribution power law and surface density distribution power law, are systematically varied. We solve self-consistently for the disk vertical hydrostatic structure in every model and apply detailed line radiative transfer to calculate line fluxes and profiles for a series of well known mid- and far-infrared cooling lines. The [OI] 63 micron line flux increases with increasing FUV luminosity when Lx < 1e30 erg/s, and with increasing X-ray luminosity when LX > 1e30 erg/s. [CII] 157 micron is mainly driven by FUV luminosity via C+ production, X-rays affect the line flux to a lesser extent. [NeII] 12.8 micron correlates with X-rays; the line profile emitted from the disk atmosphere shows a double-peaked component, caused by emission in the static disk atmosphere, next to a high velocity double-peaked component, caused by emission in the very inner rim. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 프로플라네타리 디스크에서 핵심 기체 진단선의 방출에 영향을 미치는 항성 및 디스크 파ameters의 영향을 이해하기 위해.
• FUV 및 X선 조사가 [O i], [C ii], [Ne ii], [Ar ii], H₂O 등의 종류에서 선 방출을 주도하는 상대적 역할을 규명하기 위해.
• 스피터 및 허셜 관측을 해석하기 위한 예측 프레임워크를 제공하기 위해, 다양한 디스크 및 항성 파ameters를 통해 선 유량과 프로파일을 모델링하기 위해.
• 특히 먼지가 광학적으로 두꺼운 경우 또는 공간적으로 분辩되지 않는 영역에서 디스크의 열적 및 화학적 구조를 탐사하는 데 기능하는 선 방출의 사용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• X선 빛의 세기, FUV 초과 빛의 세기, 최소 먼지 입자 크기, 먼지 크기 분포의 비율 법칙, 표면 밀도 분포의 비율 법칙을 체계적으로 변화시킨 240개의 디스크 모델을 계산하였다.
• 각 모델에 대해 수직 방향의 디스크 수소역학적 구조를 자가 일관성 있게 해결하여 온도 및 밀도 프로파일을 결정하였다.
• 중간 및 적외선 영역의 미세구조선 방출에 대해 세부적인 선 복사전달을 적용하여 유량과 프로파일을 계산하였다.
• 디스크의 열적 및 화학적 구조를 모델링하기 위해 열화학 코드 ProDiMo를 사용하였으며, 결과는 복사전달 코드 MCFOST에 입력되었다.
• 디스크 대기에서 X선 및 FUV 가열, 이온화, 냉각 과정(예: 쿨롱 가열 및 광해리 탈착 포함)을 고려한 모델이 제작되었다.
• 주요 전이에 대해 선형형태를 계산하였으며, 이는 [O i] 63 μm, [C ii] 157 μm, [Ne ii] 12.8 μm, [Ar ii], 그리고 여러 H₂O 회전선을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FUV 및 X선 빛의 세기 변화에 따라 [O i] 63 μm 선 유량은 어떻게 반응하는가?
• RQ2 [C ii] 157 μm 선 방출은 FUV 또는 X선 조사에 의해 주도되는가? 스펙트럼 세부 사항은 유량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 [Ne ii] 12.8 μm 선형형태는 먼지 관측과 독립적으로 내부 디스크 가장자리의 위치를 드러낼 수 있는가?
• RQ4 다른 디스크 영역에서 유래한 물 선 방출은 [O i] 63 μm와 어떻게 상관관계를 가지며, 이는 디스크 구조에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 디스크 대기에서 핵심 기체 트레이서의 진동 및 방출에 대해 X선과 FUV의 기여 비율은 어떻게 되는가?

주요 결과

• [O i] 63 μm 선 유량은 X선 빛의 세기가 10³⁰ erg s⁻¹ 이하일 경우 FUV 빛의 세기에 따라 증가하고, L_X가 10³⁰ erg s⁻¹를 초과할 경우 X선 빛의 세기에 따라 증가함을 보여, 주요 가열원의 전환이 일어남을 시사한다.
• [C ii] 157 μm 선은 주로 C⁺ 생성을 통해 FUV 복사에 의해 주도되며, X선에 의해 유도되는 쿨롱 가열에 의해 유도되는 보조 기여만 존재한다.
• [Ne ii] 12.8 μm 선형형태는 정적 디스크 대기와 내부 가장자리 근처의 고속 기체에서의 방출으로 인해 이중피크 형태를 보이며, 이는 고해상도 스펙트럼 관측을 통해 검증될 수 있다.
• [Ar ii] 선은 [Ne ii]와 동일한 디스크 영역을 추적하며, 소수의 천체에서의 검출 결과는 모델 예측과 일치한다.
• 물 선 방출 유량은 진동 에너지와 기원 영역에 따라 [O i] 63 μm와 다양한 상관관계를 보이며, 저진동 에너지 선들은 선형 이하의 기울기를 보이며, 이는 모델의 화학적 및 열적 구조를 확인한다.
• 모델 격자는 허셜 및 스피터 관측의 신뢰할 수 있는 해석을 가능하게 하며, 예측된 [O i] 유량이 GASPS 조사에서 관측된 값과 기대되는 불확도 범위 내에서 일치한다.