[논문 리뷰] Radiation thermo-chemical models of protoplanetary discs. IV Modelling CO ro-vibrational emission from Herbig Ae discs

W.‐F. Thi, I. Kamp외 4명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2012. 10. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 89인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 ProDiMo에 통합된 종합적인 복사열화학 모델을 개발하여 헤르비그 Ae 원행 星계의 CO 회전-진동 방출을 시뮬레이션한다. 이 모델은 9개의 진동 상태에서 최대 50개의 회전 준위와 H₂, H, He, 전자와의 충돌률을 포함한다. 주요 발견은 UV 형광 펌프링이 고진동 준위(v = 1–9)를 효율적으로 인플레이션시켜 기체의 열역학적 온도를 초월하는 초열진동 온도를 유도하며, 특히 저질량 원행성원반에서 두드러진다. 반면, 적외선 펌프링과 충돌은 회전 준위 분포를 형성하며, 12CO v=1–0 선이 광학 두꺼운 경우 유도된 온도가 왜곡된다.

ABSTRACT

The carbon monoxide rovibrational emission from discs around Herbig Ae stars and T Tauri stars with strong ultraviolet emissions suggests that fluorescence pumping from the ground X1 Sigma+ to the electronic A1 Pi state of CO should be taken into account in disc models. We implemented a CO model molecule that includes up to 50 rotational levels within nine vibrational levels for the ground and A excited states in the radiative photochemical code ProDiMo. We took CO collisions with hydrogen molecules, hydrogen atoms, helium, and electrons into account. We estimated the missing collision rates using standard scaling laws and discussed their limitations. UV fluorescence and IR pumping impact on the population of ro-vibrational v > 1 levels. The v = 1 rotational levels are populated at rotational temperatures between the radiation temperature around 4.6 micron and the gas kinetic temperature. The UV pumping efficiency increases with decreasing disc mass. The consequence is that the vibrational temperatures, which measure the relative populations between the vibrational levels, are higher than the disc gas kinetic temperatures (suprathermal population). Rotational temperatures from fundamental transitions derived using optically thick 12CO lines do not reflect the gas kinetic temperature. CO pure rotational levels with energies lower than 1000 K are populated in LTE but are sensitive to a number of vibrational levels included in the model. The 12CO pure rotational lines are highly optically thick for transition from levels up to Eupper=2000 K. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 헤르비그 Ae 원행성원반에서 CO 회전-진동 방출의 자극 메커니즘, 특히 고도로 자극된 진동 및 회전 준위에서의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 고진동 준위(v = 1–9)를 인플레이션시키는 X¹Σ⁺에서 A¹Π 전자 전이로 인한 UV 형광 펌프링의 역할을 평가하기 위해.
• 적외선(IR) 펌프링 및 충돌 과정이 진동 및 회전 준위 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 기체 열역학적 온도를 추정하는 데 사용되는 광학 두꺼운 12CO v=1–0 선에서 유도된 회전 온도의 신뢰성 평가하기 위해.
• 충돌률 계수의 불확실성이 예측된 CO 선 밀도에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• ProDiMo 복사열화학 코드에 CO 모델을 완전히 통합하여 기초 상태(X¹Σ⁺)와 자극 상태(A¹Π)에서 최대 50개의 회전 준위를 포함한 9개의 진동 준위를 포함하였다.
• H₂, H, He, 전자와의 충돌률 계수를 포함하였으며, 누락된 값을 추정하기 위해 스케일링 법칙을 사용하였다.
• 비-열평형(non-LTE) 선 복사전달을 보유한 라인 프로파일을 사용하여 해석하였으며, 기체 열평형 및 화학 네트워크 계산과 결합하였다.
• 질량(10⁻², 10⁻⁴ M⊙)과 내반경(1, 20 AU)을 다양하게 설정한 4개의 원행성원반 모델을 시뮬레이션하여 원반 구조에 따른 의존성 평가하였다.
• 모델 예측을 헤르비그 Ae 원행성원반의 관측된 CO 선 밀도 및 진동 온도 진단과 비교하였다.
• 광학 두께 효과를 분리하기 위해 공간적으로 및 스펙트르적으로 해상도가 높은 CO, 13CO, C18O, C17O 데이터를 제약 조건으로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤르비그 Ae 원행성원반 대기에서 UV 형광 펌프링이 고진동 준위(v = 1–9)를 얼마나 효율적으로 인플레이션시키는가?
• RQ2 IR 펌프링과 충돌 과정이 따뜻한 원행성원반 영역에서 CO의 회전 및 진동 자극에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 왜 관측된 진동 온도가 헤르비그 Ae 원행성원반에서 기체 열역학적 온도를 초월하는가? 이러한 초열진동 자극을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 충돌률 계수의 불확실성이 예측된 CO 선 밀도 및 유도된 온도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 광학 두꺼운 12CO v=1–0 선이 원행성원반 모델에서 진정한 기체 열역학적 온도를 얼마나 잘못 표현하는가?

주요 결과

• UV 형광 펌프링이 고진동 준위(v = 1–9)를 효율적으로 인플레이션시켜 진동 온도(T_vib)가 기체 열역학적 온도를 초월하며, 이는 초열진동 자극을 나타낸다.
• UV 펌프링 효율은 원반 질량 감소에 따라 증가하여, 특히 저질량 원반(M_disc < 10⁻³ M⊙)에서 가장 효과적이다. 이는 충돌에 의한 탈자극이 덜 효과적이기 때문이다.
• v=1 상태의 회전 준위는 4.6 μm 복사 온도와 기체 열역학적 온도 사이의 온도에서 인플레이션되며, 이는 열역학적 이하의 회전 자극을 나타낸다.
• 광학 두꺼운 12CO v=1–0 선은 유도된 회전 온도가 진정한 기체 열역학적 온도를 반영하지 못하며, 특히 고J 준위에서 두드러진다.
• 충돌률 계수의 불확실성이 한 계수 내에서 변동해도 선 밀도에 약 20%의 변화를 유도하며, 입력 데이터에 민감함을 보여준다.
• 에너지가 1000 K 이하인 순수 회전 준위는 LTE 상태에 있지만, 이들의 분포는 모델에 포함된 진동 준위 수에 민감하며, 특히 광학 두께가 높은 영역에서 두드러진다.