[論文レビュー] Observations and modelling of CO and [CI] in disks. First detections of [CI] and constraints on the carbon abundance

Mihkel Kama, S. Bruderer+24 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、APEX観測とDALIを用いた放射線輸送モデリングにより、TWAハリダとHD 100546周囲のプロト惑星系円盤における[C i] 1–0線の明確な初回検出を報告する。COと[C i]の放射線が、ガス相炭素の含有量を共同で制約し、TWAハリダでは100倍の欠乏、HD 100546では宇宙空間中程度の含有量を示す。感度の制限により、より広範な制約を得るにはさらなる深さの調査が必要である。

ABSTRACT

The gas-solid budget of carbon in protoplanetary disks is related to the composition of the cores and atmospheres of the planets forming in them. The key gas-phase carbon carriers CO, C$^{0}$ and C$^{+}$ can now be observed in disks. The gas-phase carbon abundance in disks has not yet been well characterized, we aim to obtain new constraints on the [C]/[H] ratio in a sample of disks, and to get an overview of the strength of [CI] and warm CO emission. We carried out a survey of the CO$\,6$--$5$ and [CI]$\,1$--$0$ and $2$--$1$ lines towards $37$ disks with APEX, and supplemented it with [CII] data from the literature. The data are interpreted using a grid of models produced with the DALI code. We also investigate how well the gas-phase carbon abundance can be determined in light of parameter uncertainties. The CO$\,6$--$5$ line is detected in $13$ out of $33$ sources, the [CI]$\,1$--$0$ in $6$ out of $12$, and the [CI]$\,2$--$1$ in $1$ out of $33$. With deep integrations, the first unambiguous detections of [CI]~$1$--$0$ in disks are obtained, in TW~Hya and HD~100546. Gas-phase carbon abundance reductions of a factor $5$--$10$ or more can be identified robustly based on CO and [CI] detections. The atomic carbon detection in TW~Hya confirms a factor $100$ reduction of [C]/[H]$_{ m gas}$ in that disk, while the data are consistent with an ISM-like carbon abundance for HD~100546. In addition, BP~Tau, T~Cha, HD~139614, HD~141569, and HD~100453 are either carbon-depleted or gas-poor disks. The low [CI]~$2$--$1$ detection rates in the survey mostly reflect insufficient sensitivity to detect T~Tauri disks. The Herbig~Ae/Be disks with CO and [CII] upper limits below the models are debris disk like systems. A roughly order of magnitude increase in sensitivity compared to our survey is required to obtain useful constraints on the gas-phase [C]/[H] ratio in most of the targeted systems.

研究の動機と目的

• プロト惑星系円盤におけるガス相炭素の貯留源COと[C i]を直接観測・モデリングし、その元素含有量を評価すること。
• ディスクのパラメータの不確実性が存在する中でも、観測されたCOおよび[C i]線がガス相[C]/[H]比を信頼性高く制約できるかどうかを特定すること。
• APEX観測と物理化学的ディスクモデリングを統合し、炭素欠乏または低ガス質量の可能性がある系を同定すること。
• 将来的な調査で、統計的に有意なサンプルのディスクにおいてガス相[C]/[H]を信頼性高く測定するための感度要件を評価すること。
• 複数ラインの放射線診断を用いて、炭素欠乏とガスが乏しい（デブリ様）ディスクの状況を区別すること。

提案手法

• サブミリ波長帯でAPEX望遠鏡を用い、CO 6–5、[C i] 1–0、[C i] 2–1線の37個の天体に対する調査を実施した。
• ディスク大気におけるCOおよび[C i]放射線と比較するため、文献からの[C ii] 158 μmデータを観測に補足した。
• DALIコードを用いて、異なるディスク構造と炭素含有量の下で線放射線をシミュレートする物理化学的ディスクモデルのグリッドを生成した。
• 放射線輸送モデリングを用いて、観測された線強度および線形スペクトルを解釈し、特にTWAハリダおよびHD 100546における[C i] 1–0線に注目した。
• パラメータの不確実性（例：ディスクの半径的拡が、温度構造）が、推定されたガス相[C]/[H]値に与える影響を定量化した。
• モデル予測と観測上の上限値・検出結果を比較することで、検出限界および感度要件を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COおよび[C i]放射線によって制約される、プロト惑星系円盤におけるガス相炭素含有量[C]/[H]はどの程度か？
• RQ2 プロト惑星系円盤において[C i] 1–0線を信頼性高く検出できるか。その存在または不在は、炭素貯留源にどのような含意を持つのか？
• RQ3 ディスク構造の不確実性（例：半径的拡が、温度構造）が、観測された線強度から推定されるガス相[C]/[H]値に与える影響はいかほどか？
• RQ4 サンプル内のどのディスクが、COおよび[C i]の非検出に基づいて炭素欠乏または低ガス質量と推定されるか？
• RQ5 [C i]およびCO線を用いて、大多数のプロト惑星系円盤におけるガス相[C]/[H]を信頼性高く制約するには、どの程度の感度向上が必要か？

主な発見

• [C i] 1–0線は2つのディスクで明確に検出された：TWAハリダ（距離55 pc、フラックス密度～7×10⁻²⁰ W m⁻²）およびHD 100546（距離97 pc、～2×10⁻¹⁹ W m⁻²）で、これはプロト惑星系円盤におけるこの線の初回の明確な検出を示す。
• TWAハリダにおける[C i] 1–0線の検出は、ガス相炭素が100倍欠乏していることと整合的であり、Favreら（2013）の先行結果を確認するものである。
• HD 100546では、[C i]放射線が宇宙空間中レベルのガス相炭素含有量を示しており、Bruderer ら（2012）の結果と整合的である。
• 調査の感度は、大多数の系においてガス相[C]/[H]の信頼性ある制約を得るには不十分であり、[C i] 1–0では少なくとも3倍、[C i] 2–1では10倍の感度向上が必要である。
• BP Tau、T Cha、HD 139614、HD 141569、HD 100453などの系では、COおよび／または[C i]の上限値が炭素欠乏または低ガス質量と整合的であり、今後のフォローアップが望ましい。
• 非検出の[C ii]を示すヘービッガ・Ae/Beディスクは、通常ガスが乏しいデブリ様ディスクに類似している。一方、Tタウリディスクにおける[C i] 2–1の低検出率は、主に感度の制限によるものである。