[논문 리뷰] The Herschel view of Gas in Protoplanetary Systems (GASPS). First comparisons with a large grid of models

C. Pinte, P. Woitke외 50명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2010. 05. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 Herschel GASPS 관측을 해석하기 위해 MCFOST와 ProDiMo를 융합한 300,000개의 복사열역학 및 화학 모델(DENT)로 구성된 격자를 제시한다. 이 모델들은 [OI] 63 μm 복사와 CO 회전선, 연속분포 데이터를 조합함으로써 기체 질량 추정과 비모순성 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 고기체 질량에서 CO 선이 포화되는 경우에 유용하다.

ABSTRACT

The Herschel GASPS Key Program is a survey of the gas phase of protoplanetary discs, targeting 240 objects which cover a large range of ages, spectral types, and disc properties. To interpret this large quantity of data and initiate self-consistent analyses of the gas and dust properties of protoplanetary discs, we have combined the capabilities of the radiative transfer code MCFOST with the gas thermal balance and chemistry code ProDiMo to compute a grid of 300 000 disc models (DENT). We present a comparison of the first Herschel/GASPS line and continuum data with the predictions from the DENT grid of models. Our objective is to test some of the main trends already identified in the DENT grid, as well as to define better empirical diagnostics to estimate the total gas mass of protoplanetary discs. Photospheric UV radiation appears to be the dominant gas-heating mechanism for Herbig stars, whereas UV excess and/or X-rays emission dominates for T Tauri stars. The DENT grid reveals the complexity in the analysis of far-IR lines and the difficulty to invert these observations into physical quantities. The combination of Herschel line observations with continuum data and/or with rotational lines in the (sub-)millimetre regime, in particular CO lines, is required for a detailed characterisation of the physical and chemical properties of circumstellar discs.

연구 동기 및 목표

• Herschel GASPS 핵심 프로그램에서 확보한 대량의 기체 데이터를 종합적인 물리 모델 격자를 활용해 해석하기 위해.
• DENT 모델 격자의 예측 능력을 실제 Herschel 관측 자료인 적외선 원거리 파장 선과 연속분포와 비교하여 검증하기 위해.
• 관측의 비모순성에도 불구하고 기체 질량과 기체--dust 비율을 신뢰성 있게 추정할 수 있는 경험적 진단 도구를 규명하기 위해.
• Herbig 및 T Tauri 항성 유형 간에 별의 자외선, X선, 자외선 과잉이 기체를 가열하는 데 기여하는 상대적 기여도를 평가하기 위해.
• 내부 온난한 디스크 영역과 외부 디스크 성분을 탐색하는 데 있어 [OI] 63 μm와 저-진동수 CO 선 간의 상호보완성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 원형행성계 디스크 내 기체의 열평형과 화학을 시뮬레이션하기 위해 MCFOST 복사열역학 코드와 ProDiMo 코드를 결합하였다.
• 다양한 항성 유형, 디스크 연령 및 물리적 매개변수를 포함하는 약 300,000개의 디스크 모델 격자를 생성하였다.
• DENT 격자를 사용해 [OI] 63 μm 및 867 μm에서의 CO J=3→2 전이와 같은 주요 적외선 원거리 전이의 선 세기를 예측하였다.
• 모델 예측을 실제 Herschel 관측 자료와 비교하여 모델 경향성을 검증하고 핵심 진단 도구를 규명하였다.
• 자기보호 효과가 CO 농도 계산에 미치는 영향을 평가하였으며, 처리 방법의 한계를 인정하였다.
• 관측 진단 도구(예: [OI] 63 μm, CO J=3→2, 연속분포)를 조합하여 기체 질량 추정의 매개변수 비모순성을 해소하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 항성 유형(Herbig 대비 T Tauri)에서 기인하는 자외선 및 X선 조사가 기체 질량에 미치는 영향은 어떻게 다른가?
• RQ2 CO 선이 포화되는 경우, [OI] 63 μm 복사의 기체 질량에 대한 신뢰성 있는 대체 지표로 사용될 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 연속분포와 CO 회전선은 디스크의 물리적 및 화학적 구조를 제약하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기체 질량, 기체-먼지 비율, 투과도 간의 비모순성이 선 관측의 물리적 매개변수로의 역해석 과정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 [OI] 63 μm와 (하위)mm 파장의 CO 선 조합이 고기체 질량 디스크에서의 포화 문제를 극복하는 데 효과적인가?

주요 결과

• Herbig 항성의 경우 표면 복사 자외선이 기체를 가열하는 주요 메커니즘이지만, T Tauri 항성의 경우 자외선 과잉 및/또는 X선이 지배적이다.
• [OI] 63 μm 선은 내부 10–30 AU 영역의 온난한 기체에 매우 민감하며, 디스크 매개변수 추정의 비모순성을 해소하는 데 핵심적인 진단 도구로 기능한다.
• 적외선 원거리 과잉이 관측되는 디스크의 상당 부분은 Herschel에 의해 [OI] 63 μm에서 탐지될 것으로 예상되며, 이는 연속분포 과잉과 선 세기 간의 강한 상관관계 때문이 다.
• 표본에 포함된 대부분의 디스크는 기체-먼지 질량 비율이 10을 초과하는 기체 풍부한 구조를 지니고 있으나, 산란성과 투과도 영향으로 인해 개별 추정치는 매우 불확실하다.
• CO J=3→2 선 세기는 고기체 질량에서 포화되며, 이는 고기체 질량 디스크에서의 질량 추정에 제한을 둔다. 그러나 이 비모순성은 [OI] 63 μm 또는 13CO 및 C18O와 같은 저농도 이소토폴로그를 조합함으로써 극복할 수 있다.
• [OI] 63 μm와 저진동수 CO 선의 조합은 특히 공간적으로 분해능이 확보된 경우 내부 및 외부 디스크 영역을 보완적으로 탐색할 수 있다.