[논문 리뷰] The warm gas atmosphere of the HD 100546 disk seen by Herschel (Evidence of a gas-rich, carbon-poor atmosphere?)

S. Bruderer, E. F. van Dishoeck외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 146인용 수 114

한 줄 요약

이 연구는 HD 100546의 원반에서 관측된 Herschel/PACS 데이터를 바탕으로, 복사전달, 화학 네트워크, 기체 에너르티크스를 통합한 모델링을 통해 원반의 따뜻한 기체 대기를 분석한다. 분석 결과, 높은 기체/-dust 비율과 낮은 비휘류성 탄소 농도가 CO 러버, [O I], [C II] 복사선을 가장 잘 재현하며, 이는 기체가 풍부하고 탄소가 부족한 대기임을 시사한다. 이 대기의 기체 온도 $ T_{\text{gas}} \gg T_{\text{dust}} $는 주로 자외선에 의한 가열과 고착성 물질에 고착된 탄소로 인해 발생한다.

ABSTRACT

(Abridged) Context. With the Herschel Space Observatory, lines of simple molecules (C+, O, and CO) have been observed in the atmosphere of protoplanetary disks. When combined with ground-based [CI], all principle forms of carbon can be studied. The absence of neutral carbon [CI], which is predicted by models to be strong, can then be interpreted together with [CII] and carbon monoxide. Aims. We study the gas temperature, excitation, and chemical abundance of the simple carbon-bearing species by the method of chemical-physical modeling. We explore the sensitivity of the lines to the entering parameters and constrain the region from which the line radiation emerges. Methods. Numerical models of the radiative transfer are used together with a chemical network simulation and a calculation of the gas energetics to obtain the gas temperature. We present our new model, which is based on our previous models but includes several improvements. Results. A model of the disk around the Herbig Be star HD 100546 is able to reproduce the CO ladder together with the atomic fine-structure lines of [OI] and either [CI] or [CII]. We find that the high-J lines of CO can only be reproduced by a warm atmosphere with Tgas>>Tdust. The high-J CO observable with PACS are dominated from regions within some tens of AU. Conclusions. Only a warm atmosphere with Tgas>>Tdust can reproduce the CO ladder. The CO ladder together with [O I] and the upper limit to [CI] can be reproduced by models with a high gas/dust ratio and a low abundance of volatile carbon. These models however produce too small amounts of [CII]. Models with a low gas/dust ratio and more volatile carbon also reproduce CO and [OI], are in closer agreement with observations of [CII], but overproduce [CI]. Due to the uncertain origin of the [CII] emission, we prefer the high gas/dust ratio models, indicating a low abundance of volatile carbon.

연구 동기 및 목표

• Herschel 관측을 활용하여 HD 100546 원반의 따뜻한 기체 대기에서의 물리적 및 화학적 조건을 규명하는 것.
• 관측된 고- $J$ CO 복사선과 원자 미세구조선([O I], [C II], [C I])이 자성 일관성 있는 물리-화학 모델에 의해 재현 가능한지 검증하는 것.
• 다중선 관측과의 비교를 통해 기체/먼지 비율, 비휘류성 탄소 농도, 먼지 성질을 제약하는 것.
• 특히 [C II] 복사선의 기원을 원반 내부인지 잔류 외곽막이나 전경 물질에서 기인한 것인지 평가하는 것.
• CO 회전 복사선의 공간적 기원과 다양한 $J$-레벨에서의 자극 메커니즘을 이해하는 것.

제안 방법

• 2차원 축대칭 복사전달 모델을 사용하여 CO, [O I], [C II], [C I]의 복사선을 계산하고, 세밀한 화학 네트워크와 연계한다.
• 자외선 복사에 의한 가열과 분자 복사선에 의한 냉각을 포함한 에너지 균형 방정식을 풀어 기체 온도를 자성 일관성 있게 계산한다.
• 먼지 재처리, 자외선 차단, 온도 의존성 점착 계수를 가진 비열역학적 H2 형성 과정을 모델에 포함한다.
• 먼지 투과율 법칙을 다양하게 조정(예: $ R_V = 5.5 $)하여 자외선 복사의 침투 깊이와 기체 가열 및 화학 반응에 미치는 영향을 평가한다.
• 기체/먼지 비율, 탄소 농도, 입자 크기 분포를 변화시킨 다양한 원반 구성을 고려하여 복사선 프로파일과 복사량을 계산한다.
• 기본 테스트를 통해 모델의 일관성을 검증하고, Herschel-PACS 및 지상 기반 관측 데이터의 CO 및 [C I] 복사선과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 100546에서 관측된 CO 회전 러버를 재현하기 위해 필요한 기체 온도 구조는 무엇인가?
• RQ2 다른 기체/먼지 비율과 비휘류성 탄소 농도를 가진 모델이 관측된 CO, [O I], [C II], [C I] 복사선 강도를 재현할 수 있는가?
• RQ3 Herschel에 의해 관측된 고- $J$ CO 복사선의 공간적 기원은 무엇이며, 지상에서 관측된 저- $J$ 복사선과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 [C I]는 모델 예측에 따르면 강한 복사선을 방출해야 하는데도 관측되지 않는 이유는 무엇이며, 이는 탄소 화학 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 [C II] 복사선의 기원 중 원반 내부인지 잔류 외곽막이나 전경 물질에서 기인한 비율은 어느 정도인가?

주요 결과

• 고- $J$ CO 복사선을 재현하기 위해서는 $ T_{\text{gas}} \gg T_{\text{dust}} $ 인 따뜻한 기체 대기가 필요하며, $ T_{\text{gas}} = T_{\text{dust}} $ 인 모델은 이 복사선을 수십만 배 이상 낮게 예측한다.
• 기체/먼지 비율이 높은 모델(100)과 낮은 비휘류성 탄소 비율($ \delta_{\text{C}} = 0.05 $)이 CO 러버, [O I], [C II] 복사선을 잘 재현하지만, 관측치에 비해 약간 과도하게 [C I] 복사선을 예측한다.
• 기체/먼지 비율이 낮은 모델(20)과 높은 비휘류성 탄소($ \delta_{\text{C}} = 0.5 $)는 [C I] 상한선과 잘 맞는 반면, [C II] 복사량을 과소평가한다.
• 고기체/먼지 비율 모델에서는 [C II]/[C I] 복사선 비율이 낮아 관측 상한선에 더 가까워지며, 외곽 원반에서 입자가 크거나 PAH가 없을 경우 이 비율은 더욱 감소한다.
• 최고의 $J$-레벨 CO 복사선(J=30-29)은 약 20–50 AU의 반경에서 기인하고, 중간 $J$-레벨 복사선(예: J=16-15)은 약 40–90 AU에서 기인하며, 저- $J$ 복사선은 외곽 원반(>100 AU)에서 기인한다.
• 고- $J$ CO 복사선은 내곽 원반의 높은 난류성과 속도 기울기로 인해 저- $J$ 복사선보다 크게 넓어질 것으로 예측된다.