[论文解读] Gas lines from the 5-Myr old optically thin disk around HD141569A. Herschel observations and modeling

W.‐F. Thi, C. Pinte+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 111被引用 26

一句话总结

本研究结合赫歇尔-PACS对[O I] 63和145 μm、[C II] 157 μm以及CO J=3–2谱线的观测，以及斯皮itzer和VLT的数据，对HD141569A周围年龄为5 Myr的原恒星盘中的气体和尘埃进行建模。通过MCFOST和ProDiMo的联合建模，得出气体质量为2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙，尘埃质量为2.1×10⁻⁷ M⊙（针对aₘₐₓ < 1 mm的颗粒），气体与尘埃的质量比接近100，尽管盘演化，仍与初始星际值一致。

ABSTRACT

At the distance of 99-116 pc, HD141569A is one of the nearest HerbigAe stars that is surrounded by a tenuous disk, probably in transition between a massive primordial disk and a debris disk. We observed the fine-structure lines of OI at 63 and 145 micron and the CII line at 157 micron with the PACS instrument onboard the Herschel Space Telescope as part of the open-time large programme GASPS. We complemented the atomic line observations with archival Spitzer spectroscopic and photometric continuum data, a ground-based VLT-VISIR image at 8.6 micron, and 12CO fundamental ro-vibrational and pure rotational J=3-2 observations. We simultaneously modeled the continuum emission and the line fluxes with the Monte Carlo radiative transfer code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the disk gas- and dust properties assuming no dust settling. The models suggest that the oxygen lines are emitted from the inner disk around HD141569A, whereas the [CII] line emission is more extended. The CO submillimeter flux is emitted mostly by the outer disk. Simultaneous modeling of the photometric and line data using a realistic disk structure suggests a dust mass derived from grains with a radius smaller than 1 mm of 2.1E-7 MSun and from grains with a radius of up to 1 cm of 4.9E-6 MSun. We constrained the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) mass to be between 2E-11 and 1..4E-10 MSun assuming circumcircumcoronene (C150H30) as the representative PAH. The associated PAH abundance relative to hydrogen is lower than those found in the interstellar medium (3E-7) by two to three orders of magnitude. The disk around HD141569A is less massive in gas (2.5 to 4.9E-4 MSun or 67 to 164 MEarth) and has a flat opening angle (&lt;10%). [abridged]

研究动机与目标

• 约束赫比格Ae星HD141569A周围5 Myr龄过渡盘中气体与尘埃的质量。
• 解决不同示踪剂（CO、禁线、PAHs）所估算气体质量之间的不一致。
• 检验尽管盘演化，气体与尘埃质量比是否仍保持初始星际值100。
• 研究盘的物理与化学结构，包括PAH丰度与盘的扇形程度。

提出的方法

• 利用赫歇尔-PACS仪器观测[O I] 63和145 μm、[C II] 157 μm以及CO J=3–2谱线。
• 补充使用斯皮itzer光谱与测光、VLT-VISIR在8.6 μm的成像，以及档案中的CO数据。
• 利用蒙特卡洛辐射转移代码MCFOST对连续谱与谱线流量进行联合建模。
• 使用ProDiMo进行热化学建模，以推导盘结构、气体温度与化学丰度。
• 假设无尘埃沉降，以简化颗粒大小分布与消光系数的建模。
• 通过拟合光谱能量分布（SED）与谱线流量，推导尘埃质量、气体质量与PAH丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD141569A周围盘的总气体质量是多少，与尘埃质量相比如何？
• RQ2 为何不同气体示踪剂（CO、[O I]、[C II]）所给出的气体质量估算不一致？
• RQ3 盘中多环芳烃（PAHs）的丰度是多少，与星际介质相比如何？
• RQ4 盘的结构是平坦还是扇形的，这如何影响谱线发射与SED拟合？
• RQ5 气体与尘埃质量比是否仍保持初始星际值100，还是已发生演化？

主要发现

• 小于1 mm粒径的尘埃质量为2.1×10⁻⁷ M⊙，而粒径达1 cm的尘埃质量为4.9×10⁻⁶ M⊙。
• 基于禁线辐射与CO数据，气体质量被约束在2.5–4.9×10⁻⁴ M⊙之间。
• 假设为环冠烯（C₁₅₀H₃₀）时，PAH质量估算为2×10⁻¹¹至1.4×10⁻¹⁰ M⊙，其丰度比星际介质低2–3个数量级。
• 模型高估了[O I] 63 μm谱线的流量，表明氧化学或激发条件可能存在潜在问题。
• 盘的开口角小于10°，呈平坦结构，气体与尘埃质量比与100一致，支持气体与尘埃同步消散。
• 尽管该盘的气体与尘埃质量低于GASPS样本中其他赫比格Ae星，但其气体与尘埃质量比仍接近初始星际值。