[论文解读] Herschel-PACS observation of the 10 Myr old T Tauri disk TW Hya: Constraining the disk gas mass

W.‐F. Thi, G. S. Mathews+50 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 30被引用 47

一句话总结

本研究利用赫歇尔-PACS光谱仪直接测量了1000万年大的T Tauri星TW Hya原行星盘中的气体质量，通过观测[O I] 63 μm线以及[O I] 145 μm和[C II] 157 μm的上限值，并结合CO 3–2线数据。分析结果得出气体质量为(0.5–5) × 10⁻³ M⊙，气体与尘埃质量比为2.6–26，显著低于标准星际值100，表明由于X射线驱动的光致蒸发作用，气体大量耗尽。

ABSTRACT

Planets are formed in disks around young stars. With an age of ~10 Myr, TW Hya is one of the nearest T Tauri stars that is still surrounded by a relatively massive disk. In addition a large number of molecules has been found in the TW Hya disk, making TW Hya the perfect test case in a large survey of disks with Herschel-PACS to directly study their gaseous component. We aim to constrain the gas and dust mass of the circumstellar disk around TW Hya. We observed the fine-structure lines of [OI] and [CII] as part of the Open-time large program GASPS. We complement this with continuum data and ground-based 12CO 3-2 and 13CO 3-2 observations. We simultaneously model the continuum and the line fluxes with the 3D Monte-Carlo code MCFOST and the thermo-chemical code ProDiMo to derive the gas and dust masses. We detect the [OI] line at 63 micron. The other lines that were observed, [OI] at 145 micron and [CII] at 157 micron, are not detected. No extended emission has been found. Preliminary modeling of the photometric and line data assuming [12CO]/[13CO]=69 suggests a dust mass for grains with radius < 1 mm of ~1.9 times 10^-4 Msun (total solid mass of 3 times 10^-3 Msun) and a gas mass of (0.5--5) times 10^-3 Msun. The gas-to-dust mass may be lower than the standard interstellar value of 100.

研究动机与目标

• 利用远红外谱线直接测量1000万年大的T Tauri星TW Hya周围原行星盘中的气体质量。
• 测定原行星盘中气体与尘埃质量比，并与标准星际值100进行比较。
• 研究X射线和紫外辐射加热在盘演化与气体耗尽中的作用，特别是在具有强X射线活动的系统中。
• 检验利用[C II]、[O I]和CO同位素谱线强度比估算气体质量的可靠性，针对已知尘埃质量的盘进行测试。

提出的方法

• 利用赫歇尔-PACS仪器观测细结构线[O I] 63 μm、[O I] 145 μm和[C II] 157 μm。
• 通过地面望远镜补充观测12 CO 3–2和13 CO 3–2发射线，以约束气体柱密度和质量。
• 使用3D蒙特卡洛辐射转移代码MCFOST和热化学代码ProDiMo同步建模连续谱和谱线流量。
• 利用12 CO/13 CO 3–2流量比作为光学厚度和气体质量的诊断工具，假设标准同位素比为69。
• 通过改变气体质量、外半径和尘埃颗粒大小分布，对盘结构进行建模，以匹配观测到的流量和上限值。
• 在模型中引入X射线和紫外加热效应，评估其对谱线发射和气体质量估算的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于远红外谱线和CO同位素谱线，TW Hya周围原行星盘中的总气体质量是多少？
• RQ2 TW Hya中气体与尘埃质量比与标准星际值100相比如何？这对盘演化有何启示？
• RQ3 X射线和紫外加热在该盘中对观测到的谱线流量（尤其是[O I]和[C II]）的影响有多大？
• RQ4 通过改变气体质量和盘几何形状的模型，能否重现观测到的谱线流量和比值（如12 CO/13 CO）？
• RQ5 光致蒸发在耗尽这个1000万年大的盘中原始气体储层的过程中起什么作用？

主要发现

• [O I] 63 μm线被检测到，其流量与(0.5–5) × 10⁻³ M⊙的盘气体质量一致。
• 未检测到[O I] 145 μm或[C II] 157 μm的显著发射，给出了其流量的上限值。
• 测得12 CO 3–2和13 CO 3–2线的流量，其比值表明光学厚度较低且气体质量较小，与盘质量低于5 × 10⁻³ M⊙一致。
• 小于1 mm粒径的尘埃质量估计为1.9 × 10⁻⁴ M⊙，总固体质最为3 × 10⁻³ M⊙。
• 气体与尘埃质量比被限制在2.6–26之间，显著低于标准星际值100。
• 气体与总固体质质量比估计为0.17–1.7，表明大部分原始气体已耗尽，很可能归因于X射线驱动的光致蒸发。