[논문 리뷰] The Far-Ultraviolet

Eric Schindhelm, Eric B. Burgh외 21명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 30.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

허블 우주望遠鏡의 우주 기원 분광계를 사용하여, 이 연구는 고전적 T 타우리 성자 주위의 태행성 원반에서 처음으로 적외선 외부의 CO 흡수 및 발광 특징을 검출한다. 흡수 상태에서는 CO 열역학적 밀도가 약 2 × 10¹⁷ cm⁻²이고 회전 온도가 약 500 K이며, Lyα 흡수에 의해 자극되는 발광 상태에서는 더 높은 열역학적 밀도(10¹⁸–10¹⁹ cm⁻²)와 300 K 이상의 온도를 보이며, 이는 내부 원반에서 CO/H₂ 비율이 약 1임을 시사한다.

ABSTRACT

We exploit the high sensitivity and moderate spectral resolution of the $HST$-Cosmic Origins Spectrograph to detect far-ultraviolet spectral features of carbon monoxide (CO) present in the inner regions of protoplanetary disks for the first time. We present spectra of the classical T Tauri stars HN Tau, RECX-11, and V4046 Sgr, representative of a range of CO radiative processes. HN Tau shows CO bands in absorption against the accretion continuum. We measure a CO column density and rotational excitation temperature of N(CO) = 2 +/- 1 $ imes$ 10$^{17}$ cm$^{-2}$ and T_rot(CO) 500 +/- 200 K for the absorbing gas. We also detect CO A-X band emission in RECX-11 and V4046 Sgr, excited by ultraviolet line photons, predominantly HI LyA. All three objects show emission from CO bands at $\lambda$ $>$ 1560 \AA, which may be excited by a combination of UV photons and collisions with non-thermal electrons. In previous observations these emission processes were not accounted for due to blending with emission from the accretion shock, collisionally excited H$_{2}$, and photo-excited H2; all of which appeared as a continuum whose components could not be separated. The CO emission spectrum is strongly dependent upon the shape of the incident stellar LyA emission profile. We find CO parameters in the range: N(CO) 10$^{18-19}$ cm$^{-2}$, T_{rot}(CO) > 300 K for the LyA-pumped emission. We combine these results with recent work on photo- and collisionally-excited H$_{2}$ emission, concluding that the observations of ultraviolet-emitting CO and H2 are consistent with a common spatial origin. We suggest that the CO/H2 ratio in the inner disk is ~1, a transition between the much lower interstellar value and the higher value observed in solar system comets today, a result that will require future observational and theoretical study to confirm.

연구 동기 및 목표

• 행 星 형성의 중심 영역인 태행성 원반의 내부 영역에서 적외선 외 CO 스펙트럼 특징을 검출하고 특성화하기.
• 이전 관측에서 CO 발광이 유입 충격, H₂ 및 연속 스펙트럼 발광과 혼합되어 있었던 모순을 해결하기.
• 이 원반 내 CO의 자극 메커니즘을 규명하고, 자외선 흡수(Lyα)와 충돌에 의한 자극을 구분하기.
• 내부 원반에서 CO/H₂ 농도 비율을 추론하고, 간성 및 혜성 값과 비교하기.

제안 방법

• 허블 우주망원경의 우주 기원 분광계(HST/COS)에서 확보한 고감도·중간 해상도의 적외선 외 스펙트럼을 활용.
• 1560 Å 이상의 파장에서 HN 타우리의 흡수(전자 전이 A-X)와 RECX-11, V4046 Sgr의 발광 상태에서 CO 특징 분석.
• 흡수 밴드 깊이를 이용한 열역학적 온도 진단 및 열역학적 밀도 측정을 통한 CO 자극 모델링.
• 관측된 CO 발광 프로파일을 항성 Lyα 발광 프로파일과 비교하여 자극 메커니즘 추론.
• 최근의 H₂ 발광 데이터와 조합하여 자외선에 의해 자극된 물질의 공간적·물리적 기원을 제약.
• 복사 전달 및 자극 모델링을 사용하여 Lyα 흡수에 의한 발광과 충돌에 의한 자극을 구분.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태행성 원반의 내부 영역에서 CO 기체의 물리적 조건(온도, 열역학적 밀도)은 무엇인가?
• RQ2 적외선 외 영역에서 CO의 주요 자극 메커니즘은 무엇이며, 항성 Lyα 프로파일과의 관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 적외선 외 영역에서의 CO 발광은 축적 충격 및 H₂와의 혼합된 발광원에서 분리될 수 있는가?
• RQ4 내부 원반에서의 CO/H₂ 농도 비율은 얼마이며, 간성 및 혜성 값과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 자외선에 의해 자극된 CO와 H₂는 공통된 공간적 기원을 가지는가?

주요 결과

• HN 타우리에서 CO 흡수 특징을 검출하였으며, 열역학적 밀도 N(CO) = 2 ± 1 × 10¹⁷ cm⁻², 회전 온도 T_rot(CO) = 500 ± 200 K로 측정됨.
• RECX-11 및 V4046 Sgr에서 CO A-X 밴드 발광을 검출하였으며, 열역학적 밀도는 10¹⁸에서 10¹⁹ cm⁻² 범위이며, 회전 온도는 300 K 이상임.
• CO 발광은 주로 항성 Lyα 광자에 의해 자극되며, 비열역학적 전자와의 충돌 기여도도 존재함.
• 입사된 Lyα 발광 프로파일의 형태가 관측된 CO 발광 스펙트럼에 강하게 영향을 미침.
• 관측된 CO 및 H₂ 발광은 내부 원반에서 공통된 기원을 가짐을 시사하며, 이는 공통된 자극 메커니즘을 지니고 있음을 의미함.
• 내부 원반에서 추론된 CO/H₂ 비율은 약 1이며, 이는 간성에서의 낮은 값에서 태양계 혜성에서 관측되는 높은 값으로의 전이를 시사함.