[논문 리뷰] GASPS observations of Herbig Ae/Be stars with PACS/Herschel. The atomic and molecular content of their protoplanetary discs

G. Meeus, B. Montesinos외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 2인용 수 78

한 줄 요약

이 연구는 20개의 허쉬엘/패스를 사용한 허비스 Ae/Be 항성 및 다섯 개의 A형 폐기원반에 대한 분광 관측을 수행하여, [O I] 63 μm를 100%의 확진율로 탐지하였고, 원형행성원반에서의 원거리 적외선 탐지 결과로는 최초로 H₂O와 OH를 확인하였다 (HD 163296). 항성의 자외선 복사율이 [O I] 63 μm의 주요 자극 메커니즘으로 밝혀졌으며, 유입 또는 X선 복사율의 영향은 유의미하지 않았다.

ABSTRACT

We observed a sample of 20 representative Herbig Ae/Be stars and five A-type debris discs with PACS onboard of Herschel. The observations were done in spectroscopic mode, and cover far-IR lines of [OI], [CII], CO, CH+, H2O and OH. We have a [OI]63 micron detection rate of 100% for the Herbig Ae/Be and 0% for the debris discs. [OI]145 micron is only detected in 25%, CO J=18-17 in 45% (and less for higher J transitions) of the Herbig Ae/Be stars and for [CII] 157 micron, we often found spatially variable background contamination. We show the first detection of water in a Herbig Ae disc, HD 163296, which has a settled disc. Hydroxyl is detected as well in this disc. CH+, first seen in HD 100546, is now detected for the second time in a Herbig Ae star, HD 97048. We report fluxes for each line and use the observations as line diagnostics of the gas properties. Furthermore, we look for correlations between the strength of the emission lines and stellar or disc parameters, such as stellar luminosity, UV and X-ray flux, accretion rate, PAH band strength, and flaring. We find that the stellar UV flux is the dominant excitation mechanism of [OI]63 micron, with the highest line fluxes found in those objects with a large amount of flaring and greatest PAH strength. Neither the amount of accretion nor the X-ray luminosity has an influence on the line strength. We find correlations between the line flux of [OI]63 micron and [OI]145 micron, CO J = 18-17 and [OI]6300 Å, and between the continuum flux at 63 micron and at 1.3 mm, while we find weak correlations between the line flux of [OI]63 micron and the PAH luminosity, the line flux of CO J = 3-2, the continuum flux at 63 micron, the stellar effective temperature and the Brgamma luminosity. (Abbreviated version)

연구 동기 및 목표

• 허비스 Ae/Be 항성 주위 원형행성원반의 원소 및 분자 기체 성분을 원거리 적외선 분광법을 통해 특성화하기 위해.
• 주요 복사선인 [O I] 63 μm, [C II] 157 μm, CO, H₂O, OH의 자극 메커니즘을 규명하기 위해.
• 자외선 복사율, 유입률, PAH 복사율, 원반 기하학적 형태 등의 항성 및 원반 매개변수와 라인 복사율 간의 상관관계를 조사하기 위해.
• 라인 복사율 비율을 이용하여 기체 질량을 추정하고, 세밀한 복사전달 모델링과 비교하기 위해.
• 청소형 중질량 항성계에서 기체 복사가 지배하는 물리적 조건 및 화학 반응 과정을 규명하기 위해.

제안 방법

• 허비스 우주선의 허쉬엘 우주망원경에 탑재된 패스 기구를 이용해 원거리 적외선 파장대역(50–200 μm)에서 분광 관측을 수행함.
• 핵심 원소 및 분자 라인의 복사율을 측정함: [O I] 63 μm 및 145 μm, [C II] 157 μm, CO J=18-17 및 J=3-2, H₂O, OH, CH⁺.
• 특정 경험적 비율을 활용해 기체 질량을 추정하기 위해, 특히 [O I] 63 μm / 12CO J=2-1 비율을 사용함.
• 라인 복사율을 항성 매개변수(효과 온도, 자외선 및 X선 복사율) 및 원반 특성(PAH 복사율, 굴곡형태, 1.3 mm에서의 먼지 연속복사)과 상관관계 분석함.
• [C II] 157 μm 측정에서 오염을 줄이기 위해 공간 필터링 및 배경 제거 기법을 적용함.
• HD 163296 및 HD 169142에 대한 기존의 복사전달 모델과 결과를 비교하여 기체 질량 추정치의 타당성을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허비스 Ae/Be 원반 대기에서 [O I] 63 μm 복사가 유도되는 주요 자극 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 자외선 복사율, 유입률, 원반 기하학적 형태와 관련하여 [O I], CO, H₂O, OH의 원거리 적외선 복사율은 어떻게 상관관계를 가지나요?
• RQ3 허비스 Ae/Be 원반의 기체 질량은 [O I] 63 μm 및 CO J=2-1 복사율을 통해 어떻게 추정될 수 있나요?
• RQ4 왜 H₂O 복사선은 HD 163296와 같이 특정 원반에서만 탐지되었으며, 이는 원반 화학 및 기하학적 특성에 대해 어떤 의미를 갖나요?
• RQ5 먼지 연속복사 특성(예: 1.3 mm에서의 값) 및 SED 기울기와 기체 라인 복사 간의 상관관계는 어느 정도인가요?

주요 결과

• [O I] 63 μm 라인은 허비스 Ae/Be 항성의 100%에서 탐지되었으며, A형 폐기원반에서는 탐지율이 0%였다.
• 항성의 자외선 복사율이 [O I] 63 μm의 주요 자극 메커니즘으로 확인되었으며, 복사율은 총 자외선 복사율 및 PAH 복사율과 강하게 상관관계를 보였다.
• [O I] 63 μm 복사율과 유입률 또는 X선 복사율 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, 유입은 이 복사의 주요 원인이 아님을 시사함.
• HD 163296의 원반에서 최초로 원거리 적외선 영역에서 H₂O와 OH를 탐지함. 이는 안정된 평탄한 원반을 가진 천체임.
• CH⁺는 두 번째로 허비스 Ae 항성인 HD 97048에서 탐지되어 고자외선 환경에서의 존재를 확인함.
• [O I] 63 μm / 12CO J=2-1 복사율 비율을 통해 추정한 기체 질량은 0.25–25×10⁻³ M☉의 범위에 있었으며, HD 163296 및 HD 169142의 세밀한 모델링 결과와 일치함.