[논문 리뷰] Molecular content of the circumstellar disk in AB Aur: First detection of SO in a circumstellar disk

A. Fuente, J. Cernicharo외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 전리현미경의 EMIR 수신기를 사용한 민감도 높은 관측을 통해 헤르비그 Ae 항성 AB Aur 주위의 원행성 원반에서 황산화물(SO)의 첫 번째 검출을 보고한다. HCO⁺, CN, H₂CO, CS, HCN 등의 선과 함께 관측된 SO의 존재는 분자 빗물이 아직 입자 표면에 침착하여 화학 반응을 지배하지 않는 화학적으로 다각적이고 젊은 원반임을 시사하며, 화학 모델링을 통해 이를 확인하였다.

ABSTRACT

Very few molecular species have been detected in circumstellar disks surrounding young stellar objects. We are carrying out an observational study of the chemistry of circumstellar disks surrounding T Tauri and Herbig Ae stars. First results of this study are presented in this note. We used the EMIR receivers recently installed at the IRAM 30m telescope to carry a sensitive search for molecular lines in the disks surrounding AB Aur, DM Tau, and LkCa 15. We detected lines of the molecules HCO+, CN, H2CO, SO, CS, and HCN toward AB Aur. In addition, we tentatively detected DCO+ and H2S lines. The line profiles suggest that the CN, HCN, H2CO, CS and SO lines arise in the disk. This makes it the first detection of SO in a circumstellar disk. We have unsuccessfully searched for SO toward DM Tau and LkCa 15, and for c-C3H2 toward AB Aur, DM Tau, and LkCa 15. Our upper limits show that contrary to all the molecular species observed so far, SO is not as abundant in DM Tau as it is in AB Aur. Our results demonstrate that the disk associated with AB Aur is rich in molecular species. Our chemical model shows that the detection of SO is consistent with that expected from a very young disk where the molecular adsorption onto grains does not yet dominate the chemistry.

연구 동기 및 목표

• T Tauri 항성과 헤르비그 Ae 항성 주위 원행성 원반의 분자 성분을 조사하여 화학적 복잡성을 이해하는 것.
• 특히 이러한 환경에서 아직 관측되지 않은 분자 종을 검출하고 특성화하는 것.
• AB Aur, DM Tau, LkCa 15와 같은 다양한 천체계를 비교하여 원반의 화학적 진화를 이해하는 것.
• 기판 표면 화학이 아직 기체상 분자들을 빼앗지 않은 매우 젊은 원반에서 SO 농도가 증가하는지 테스트하는 것.
• 기본 밀도 비율과 상한선을 측정하여 원반 화학의 화학 모델에 관측적 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• 3mm 및 1mm 대역에서 4 GHz 대역폭을 사용한 IRAM 30m 전리현미경의 EMIR 수신기를 이용한 민감도 높은 단일 안테나 관측을 수행하였다.
• 기본선 안정화와 밀도가 낮고 넓은 선을 검출하기 위해 움직임 스위칭 기법을 적용하였다.
• VESPA 백엔드를 사용해 고해상도 스펙트럼(1.3mm에서 80 kHz, 2.7mm에서 40 kHz)을 확보하여 선형 프로파일을 분해하고 분자 전이를 식별하였다.
• 원반 추적 중 기저선 혼란을 피하기 위해 AB Aur에서 환경 기상 기인의 방출에 오염된 채널을 제거하였다.
• Schreyer 등(2008)의 원반 파rameter와 Agúndez 등(2008)의 업데이트된 화학 네트워크를 사용해 시간에 따른 분자 농도를 시뮬레이션하기 위해 화학 모델링을 수행하였다.
• 선 강도에서 기저 밀도와 농도 비율(예: [SO]/[HCO⁺], [CS]/[SO])을 계산하고 관측 상한선과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원행성 원반에서 SO를 검출할 수 있는가? 만약 그렇다면, 그 존재는 원반의 연령과 화학 상태에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ2 AB Aur 원반의 분자 농도는 DM Tau와 LkCa 15와 비교해 어떻게 다른가? 특히 SO와 c-C₃H₂에 대해선?
• RQ3 AB Aur에서 관측된 SO 농도는 기판 표면 침착이 아직 지배적이지 않은 젊은 원반의 화학 모델과 일치하는가?
• RQ4 [CN]/[HCN] 비율은 다양한 원반에서 유사한데, [CS]/[SO]와 [H₂CO]/[HCO⁺] 비율은 상당히 다름은 의미는 무엇인가?
• RQ5 AB Aur에서 DCO⁺의 잠재적 검출은 TW Hydrae와 유사한 디우테레이션 수준을 유추하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• SO는 AB Aur의 원행성 원반에서 138.178 GHz(J=3₄→2₃)에서 검출되었으며, 이는 원형 원반에서 SO가 처음으로 명확히 확인된 사례이다.
• CN, HCN, H₂CO, CS, SO의 선형 프로파일은 원반에서 기인한 방출과 일치하며, 환경 기상이나 외곽 구름과의 혼동을 배제한다.
• DM Tau에서의 SO 상한선은 AB Aur보다 상당히 낮아, SO가 DM Tau에서는 AB Aur에 비해 부족한 것으로 나타났다.
• AB Aur, DM Tau, LkCa 15 방향으로 c-C₃H₂ 검출에 실패하였으며, [c-C₃H₂]/[HCO⁺]의 상한선은 광분해 영역에서 관측된 값과 일치한다.
• AB Aur에서 DCO⁺의 잠재적 검출은 [DCO⁺]/[HCO⁺] 비율이 약 0.03임을 시사하며, 이는 TW Hydrae에서 관측된 값과 유사하다.
• 화학 모델링은 AB Aur에서의 높은 SO 농도가 기판 표면 흡착이 아직 기체상 화학 반응을 억제하지 않은 젊은 원반(~2.5 Myr)과 일치함을 확인하였다.