[논문 리뷰] Herschel-PACS observation of the 10 Myr old T Tauri disk TW Hya: Constraining the disk gas mass

W.‐F. Thi, G. S. Mathews외 50명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 30인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 허셸-PACS 분광계를 사용하여 10 Myr된 T 타우리 원반 TW Hya의 기체 질량을 직접 측정하기 위해 [O I] 63 μm 및 [O I] 145 μm와 [C II] 157 μm의 상한선을 관측하고, CO 3–2 선 데이터를 병합하였다. 분석 결과 기체 질량은 (0.5–5) × 10⁻³ M⊙이며, 기체 대-dust 질량 비율은 표준 간성간 물질 값인 100보다 훨씬 낮은 2.6–26으로 도출되었으며, 이는 X선에 의해 유도되는 광분해로 인한 기체의 상당한 감소를 시사한다.

ABSTRACT

Planets are formed in disks around young stars. With an age of ~10 Myr, TW Hya is one of the nearest T Tauri stars that is still surrounded by a relatively massive disk. In addition a large number of molecules has been found in the TW Hya disk, making TW Hya the perfect test case in a large survey of disks with Herschel-PACS to directly study their gaseous component. We aim to constrain the gas and dust mass of the circumstellar disk around TW Hya. We observed the fine-structure lines of [OI] and [CII] as part of the Open-time large program GASPS. We complement this with continuum data and ground-based 12CO 3-2 and 13CO 3-2 observations. We simultaneously model the continuum and the line fluxes with the 3D Monte-Carlo code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the gas and dust masses. We detect the [OI] line at 63 micron. The other lines that were observed, [OI] at 145 micron and [CII] at 157 micron, are not detected. No extended emission has been found. Preliminary modeling of the photometric and line data assuming [12CO]/[13CO]=69 suggests a dust mass for grains with radius < 1 mm of ~1.9 times 10^-4 Msun (total solid mass of 3 times 10^-3 Msun) and a gas mass of (0.5--5) times 10^-3 Msun. The gas-to-dust mass may be lower than the standard interstellar value of 100.

연구 동기 및 목표

• 10 Myr된 T 타우리 항성인 TW Hya의 원반 기체 질량을 원거리 적외선 스펙트럼 선을 통해 직접 측정하기.
• 형성 중 원반의 기체 대-dust 질량 비율을 측정하고 표준 간성간 물질 값인 100과 비교하기.
• 특히 강한 X선 활동을 보이는 체계에서 X선 및 자외선 가열이 원반 진화와 기체 감소에 미치는 영향을 조사하기.
• 기타 알려진 먼지 질량을 가진 원반에서 [C II], [O I], CO 이소토포물 선 비율을 사용한 기체 질량 추정의 신뢰성을 시험하기.

제안 방법

• 허셸-PACS 기구를 사용하여 미세 구조 선 [O I] 63 μm, [O I] 145 μm, [C II] 157 μm를 관측하기.
• 기체 열량 밀도와 질량을 제약하기 위해 지상 기반 관측을 통해 12 CO 3–2 및 13 CO 3–2 복사선을 보완적으로 관측하기.
• 3D 몬테카를로 복사전달 코드 MCFOST와 열화학 코드 ProDiMo를 동시에 사용하여 연속체 및 선 밀도를 모델링하기.
• 표준 이소토프 비율 69을 가정하여 12 CO/13 CO 3–2 밀도 비율을 광학 두께와 기체 질량의 진단 도구로 사용하기.
• 관측된 밀도와 상한선을 일치시키기 위해 기체 질량, 외곽 반경, 먼지 입자 크기 분포를 변화시킨 원반 구조 모델링하기.
• 모델에 X선 및 자외선 가열 효과를 통합하여 선 방출과 기체 질량 추정에 미치는 영향 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TW Hya의 원반 기체 질량은 원거리 적외선 스펙트럼 선과 CO 이소토포물에 의해 어떻게 제약되는가?
• RQ2 TW Hya의 기체 대-dust 질량 비율은 표준 간성간 물질 값인 100과 비교하여 어떻게 되며, 이는 원반 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 X선 및 자외선 가열은 이 원반의 관측된 선 밀도, 특히 [O I]와 [C II]에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 기체 질량과 원반 기하학을 가진 모델이 관측된 선 밀도와 비율(예: 12 CO/13 CO)을 재현할 수 있는가?
• RQ5 광분해가 이 10 Myr된 원반의 초기 기체 저축을 어느 정도 감소시켰는가?

주요 결과

• [O I] 63 μm 선은 63 μm에서 검출되었으며, 이는 기체 질량 (0.5–5) × 10⁻³ M⊙와 일치하는 밀도를 가짐.
• [O I] 145 μm 또는 [C II] 157 μm에 대해 유의미한 복사선이 검출되지 않아 그들의 밀도에 상한선이 설정됨.
• 12 CO 3–2 및 13 CO 3–2 선 밀도가 측정되었으며, 그 비율은 낮은 광학 두께와 낮은 기체 질량를 나타내며, 기체 질량이 5 × 10⁻³ M⊙ 이하임을 일관되게 시사함.
• 반경 1 mm 이하인 먼지 질량은 1.9 × 10⁻⁴ M⊙로 추정되었고, 총 고체 질량은 3 × 10⁻³ M⊙임.
• 기체 대-dust 질량 비율은 2.6–26으로 제약되었으며, 표준 간성간 물질 값인 100보다 훨씬 낮음.
• 기체 대 총 고체 질량 비율은 0.17–1.7로 추정되었으며, 대부분의 초기 기체가 이미 손실되었음을 시사하며, 이는 주로 X선에 의해 유도된 광분해 때문일 가능성이 높음.