[논문 리뷰] Gas lines from the 5-Myr old optically thin disk around HD141569A. Herschel observations and modeling

W.‐F. Thi, C. Pinte외 21명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 111인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 허셜-PACS를 이용한 [O I] 63 및 145 μm, [C II] 157 μm, CO J=3–2 선의 관측과 스피티저 및 VLT 데이터를 결합하여, HD141569A 주위의 5-Myr 된 전이성 디스크의 기체 및-dust를 모델링한다. MCFOST와 ProDiMo를 동시에 사용한 모델링은 기체 질량 2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙와 먼지 질량 2.1×10⁻⁷ M⊙ (aₘₐₓ < 1 mm 기준)를 도출하여, 기체 대 먼지 질량 비율이 디스크 진화에도 불구하고 초기 간성간 물질 값과 일치하는 약 100이 됨을 보여준다.

ABSTRACT

At the distance of 99-116 pc, HD141569A is one of the nearest HerbigAe stars that is surrounded by a tenuous disk, probably in transition between a massive primordial disk and a debris disk. We observed the fine-structure lines of OI at 63 and 145 micron and the CII line at 157 micron with the PACS instrument onboard the Herschel Space Telescope as part of the open-time large programme GASPS. We complemented the atomic line observations with archival Spitzer spectroscopic and photometric continuum data, a ground-based VLT-VISIR image at 8.6 micron, and 12CO fundamental ro-vibrational and pure rotational J=3-2 observations. We simultaneously modeled the continuum emission and the line fluxes with the Monte Carlo radiative transfer code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the disk gas- and dust properties assuming no dust settling. The models suggest that the oxygen lines are emitted from the inner disk around HD141569A, whereas the [CII] line emission is more extended. The CO submillimeter flux is emitted mostly by the outer disk. Simultaneous modeling of the photometric and line data using a realistic disk structure suggests a dust mass derived from grains with a radius smaller than 1 mm of 2.1E-7 MSun and from grains with a radius of up to 1 cm of 4.9E-6 MSun. We constrained the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) mass to be between 2E-11 and 1..4E-10 MSun assuming circumcircumcoronene (C150H30) as the representative PAH. The associated PAH abundance relative to hydrogen is lower than those found in the interstellar medium (3E-7) by two to three orders of magnitude. The disk around HD141569A is less massive in gas (2.5 to 4.9E-4 MSun or 67 to 164 MEarth) and has a flat opening angle (&lt;10%). [abridged]

연구 동기 및 목표

• 헤르비그 Ae 항성 HD141569A 주위의 5-Myr 된 전이성 디스크에서 기체와 먼지 질량을 제약하는 것.
• 다양한 추적자들(예: CO, 미세구조선, PAHs)로부터 유도된 기체 질량 추정치 간의 모순을 해결하는 것.
• 디스크 진화에도 불구하고 기체 대 먼지 질량 비율이 초기 간성간 물질 값인 100을 유지하는지 테스트하는 것.
• 디스크의 물리적 및 화학적 구조, 특히 PAH 농도와 디스크의 퍼짐 정도를 조사하는 것.

제안 방법

• 허셜-PACS를 이용한 [O I] 63 및 145 μm, [C II] 157 μm, CO J=3–2 선의 관측.
• 스피티저 분광 및 복사계측, VLT-VISIR 8.6 μm 이미징, 그리고 암시적 CO 데이터를 보완적으로 활용.
• 몬테카를로 복사전달 코드 MCFOST를 사용하여 연속스펙트럼 및 선 강도를 동시에 모델링.
• 기온-화학 모델링을 통해 ProDiMo를 사용하여 디스크 구조, 기체 온도, 화학 농도를 유도.
• 입자 크기 분포 및 투과도 모델링을 단순화하기 위해 먼지 침강이 없다는 가정.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED)와 선 강도를 맞추어 먼지 질량, 기체 질량, PAH 농도를 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD141569A 주위 디스크의 총 기체 질량은 얼마이며, 먼지 질량과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ2 다양한 기체 추적자(CO, [O I], [C II])가 불일치하는 기체 질량 추정치를 도출하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 디스크 내 다환화합물(PAHs)의 농도는 얼마이며, 간성간 매질과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ4 디스크의 구조는 평평한가, 퍼져 있는가? 이는 선 방출과 SED 피팅에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기체 대 먼지 질량 비율은 초기 간성간 물질 값인 100을 유지하고 있는가, 아니면 진화하여 변화했는가?

주요 결과

• 반경 <1 mm 인 입자로부터의 먼지 질량은 2.1×10⁻⁷ M⊙이며, 1 cm까지 확장하면 4.9×10⁻⁶ M⊙이다.
• 미세구조선 방출과 CO 데이터를 기반으로 기체 질량은 2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙로 제약된다.
• 환형코로닌(C₁₅₀H₃₀)을 가정할 경우 PAH 질량은 2×10⁻¹¹에서 1.4×10⁻¹⁰ M⊙로 추정되며, 간성간 매질보다 2–3개 정도 낮은 농도이다.
• [O I] 63 μm 선 강도가 모델에 의해 과대평가되고 있어 산소 화학 또는 자극 조건에 문제가 있을 수 있음을 시사한다.
• 디스크의 개구역은 10° 미만의 평탄한 각도를 가지며, 기체 대 먼지 질량 비율은 100과 일치하여 기체와 먼지가 동시에 소멸되었음을 지지한다.
• 기체 및 먼지 질량이 GASPS 샘플의 다른 허비그 Ae 항성보다 낮지만, 기체 대 먼지 비율은 초기 간성간 물질 값과 유사하게 유지된다.