[논문 리뷰] Observations and modelling of CO and [CI] in disks. First detections of [CI] and constraints on the carbon abundance

Mihkel Kama, S. Bruderer외 24명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 APEX 관측과 DALI를 통한 복사전달 모델링을 결합하여 TW Hydrae와 HD 100546 주위의 태양계 형성 원반에서 [C i] 1–0 선의 처음으로 명확한 검출을 보고한다. CO와 [C i] 복사가 함께 기체상 탄소 농도를 제약함으로써, TW Hya에서는 100배의 농도 감소가, HD 100546에서는 우주간 물질 수준에 가까운 농도가 드러났으며, 더 넓은 제약을 확보하기 위해 더 깊은 조사가 감도 제한으로 인해 필요하다.

ABSTRACT

The gas-solid budget of carbon in protoplanetary disks is related to the composition of the cores and atmospheres of the planets forming in them. The key gas-phase carbon carriers CO, C$^{0}$ and C$^{+}$ can now be observed in disks. The gas-phase carbon abundance in disks has not yet been well characterized, we aim to obtain new constraints on the [C]/[H] ratio in a sample of disks, and to get an overview of the strength of [CI] and warm CO emission. We carried out a survey of the CO$\,6$--$5$ and [CI]$\,1$--$0$ and $2$--$1$ lines towards $37$ disks with APEX, and supplemented it with [CII] data from the literature. The data are interpreted using a grid of models produced with the DALI code. We also investigate how well the gas-phase carbon abundance can be determined in light of parameter uncertainties. The CO$\,6$--$5$ line is detected in $13$ out of $33$ sources, the [CI]$\,1$--$0$ in $6$ out of $12$, and the [CI]$\,2$--$1$ in $1$ out of $33$. With deep integrations, the first unambiguous detections of [CI]~$1$--$0$ in disks are obtained, in TW~Hya and HD~100546. Gas-phase carbon abundance reductions of a factor $5$--$10$ or more can be identified robustly based on CO and [CI] detections. The atomic carbon detection in TW~Hya confirms a factor $100$ reduction of [C]/[H]$_{ m gas}$ in that disk, while the data are consistent with an ISM-like carbon abundance for HD~100546. In addition, BP~Tau, T~Cha, HD~139614, HD~141569, and HD~100453 are either carbon-depleted or gas-poor disks. The low [CI]~$2$--$1$ detection rates in the survey mostly reflect insufficient sensitivity to detect T~Tauri disks. The Herbig~Ae/Be disks with CO and [CII] upper limits below the models are debris disk like systems. A roughly order of magnitude increase in sensitivity compared to our survey is required to obtain useful constraints on the gas-phase [C]/[H] ratio in most of the targeted systems.

연구 동기 및 목표

• 원반의 기체상 탄소 저장소인 CO와 [C i]를 직접 관측하고 모델링하여 원소 농도를 평가하기 위해.
• 원반 매개변수의 불확실성에도 불구하고 관측된 CO 및 [C i] 복사선이 기체상 [C]/[H] 비율을 신뢰성 있게 제약할 수 있는지 평가하기 위해.
• APEX 관측과 물리화학적 원반 모델링을 결합하여 탄소 농도 감소 또는 낮은 기체 질량을 보일 가능성이 있는 시스템을 식별하기 위해.
• 미래 조사에서 통계적으로 의미 있는 원반 샘플의 기체상 [C]/[H]를 신뢰성 있게 측정하기 위해 필요한 감도 요구 조건을 평가하기 위해.
• 다중선 복사 진단을 통해 탄소 농도 감소와 기체가 적은(데브리스러운) 원반 시나리오를 구분하기 위해.

제안 방법

• 서브밀리미터 파장에서 APEX 망원경을 사용하여 CO 6–5, [C i] 1–0, [C i] 2–1 선에 대한 37개의 원반을 대상으로 조사하였다.
• 원반 대기에서 CO 및 [C i] 복사와 비교하기 위해 문헌 자료에서 확보한 [C ii] 158 μm 자료를 보완하였다.
• DALI 코드로 생성한 물리화학적 원반 모델의 격자망을 활용하여 다양한 원반 구조와 탄소 농도에서의 선 복사 강도를 시뮬레이션하였다.
• 특히 TW Hya와 HD 100546에서의 [C i] 1–0 선에 초점을 맞춰 관측된 선 강도와 프로파일을 해석하기 위해 복사전달 모델링을 수행하였다.
• 원반의 반경 범위, 온도 구조 등의 매개변수 불확실성이 유도된 [C]/[H] 기체상 값에 미치는 영향을 정량화하였다.
• 모델 예측을 관측된 상한선과의 비교를 통해 감도 한계와 감도 요구 조건을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO와 [C i] 복사로 제약되는 원반의 기체상 탄소 농도 [C]/[H]는 얼마인가요?
• RQ2 [C i] 1–0 선은 원반에서 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 그 존재 또는 부재는 탄소 저장소에 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ3 원반 구조(예: 반경 범위, 온도 구조)의 불확실성이 관측된 선 강도에서 유도된 [C]/[H] 기체상 값에 어떤 영향을 미치는가요?
• RQ4 샘플 내에서 CO 및/또는 [C i] 비검출로 인해 탄소 농도 감소 또는 기체 질량 저하가 의심되는 원반은 어떤 것인가요?
• RQ5 [C i]와 CO 선을 사용하여 대부분의 원반에서 기체상 [C]/[H]를 안정적으로 제약하기 위해 필요한 감도 향상 수준는 얼마인가요?

주요 결과

• [C i] 1–0 선은 두 원반에서 명확하게 검출되었다: TW Hydrae (55 pc 거리에서 약 ~7×10⁻²⁰ W m⁻²의 복사강도)와 HD 100546 (~97 pc 거리에서 약 ~2×10⁻¹⁹ W m⁻²), 이는 원반에서 이 선을 처음으로 확실하게 검출한 것이다.
• TW Hya에서의 [C i] 1–0 검출은 기체상 탄소 농도가 100배 낮아진 것으로 일치하며, Favre 등(2013)의 이전 결과를 확인한다.
• HD 100546의 경우, [C i] 복사는 기체상 탄소 농도가 간성 물질 수준에 가까운 것으로 나타나 Bruderer 등(2012)의 결과와 일치한다.
• 조사를 위한 감도는 대부분의 시스템에서 기체상 [C]/[H]를 안정적으로 제약하기에는 부족하며, [C i] 1–0에 대해 최소 3배, [C i] 2–1에 대해 최소 10배의 감도 향상 필요하다.
• BP Tau, T Cha, HD 139614, HD 141569, HD 100453와 같은 시스템은 CO 및/또는 [C i]의 상한선이 탄소 농도 감소 또는 낮은 기체 질량을 일으킬 수 있음을 시사하여 향후 관측이 필요하다.
• 비드라인형 기체가 적은 원반과 유사한 특성을 보이는 Herbig Ae/Be 원반은 [C ii] 비검출을 보이며 일반적으로 기체 질량이 낮은 편이며, T Tauri 원반에서 [C i] 2–1 검출률이 낮은 것은 주로 감도 제한 때문이지만, 이는 기체 질량 저하의 징후일 수 있다.