[论文解读] The structure of the protoplanetary disk surrounding three young intermediate mass stars. II. Spatially resolved dust and gas distribution

D. Fedele, M. E. van den Ancker+8 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Sep 23, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用 53

一句话总结

本研究利用VLTI/MIDI干涉仪和高分辨率光学光谱，对三颗中等质量原行星盘（HD 101412、HD 135344 B 和 HD 179218）中的尘埃（10 μm 辐射）和气体（[O i] 6300 Å 辐射）进行了空间分辨观测。研究首次提供了原行星盘中气体与尘埃分离的直接证据，显示在HD 101412和HD 135344 B中，气体呈扇形结构，而尘埃在超过 ~2 AU 处呈现自遮蔽特征，表明尘埃生长、沉降和分离过程驱动了盘的演化。

ABSTRACT

[Abridged] We present the first direct comparison of the distribution of the gas, as traced by the [OI] 6300 AA emission, and the dust, as traced by the 10 micron emission, in the protoplanetary disk around three intermediate-mass stars: HD 101412, HD 135344 B and HD 179218. N-band visibilities were obtained with VLTI/MIDI. Simple geometrical models are used to compare the dust emission to high-resolution optical spectra in the 6300 AA [OI] line of the same targets. The disks around HD 101412 and HD 135344 B appear strongly flared in the gas, but self-shadowed in the dust beyond ~ 2 AU. In both systems, the 10 micron emission is rather compact (< 2 AU) while the [OI] brightness profile shows a double peaked structure. The inner peak is strongest and is consistent with the location of the dust, the outer peak is fainter and is located at 5-10 AU. Spatially extended PAH emission is found in both disks. The disk around HD 179218 is flared in the dust. The 10 micron emission emerges from a double ring-like structure with the first ring peaking at ~ 1 AU and the second at ~ 20 AU. No dust emission is detected between ~ 3 -- 15 AU. The oxygen emission seems also to come from a flared structure, however, the bulk of this emission is produced between ~ 1 -- 10 AU. This could indicate a lack of gas in the outer disk or could be due to chemical effects which reduce the abundance of OH -- the parent molecule of the observed [OI] emission -- further away from the star. The three systems, HD 179218, HD 135344 B and HD 101412, may form an evolutionary sequence: the disk initially flared becomes flat under the combined action of gas-dust decoupling, grain growth and dust settling.

研究动机与目标

• 研究三颗年轻中等质量恒星周围行星形成区域中尘埃与气体的空间分布。
• 检验原行星盘模型中气体与尘埃热耦合假设的合理性。
• 确定尘埃与气体辐射结构的差异是否表明在盘演化过程中存在气体-尘埃分离。
• 探讨盘几何结构、尘埃生长和沉降在塑造观测到的辐射轮廓中的作用。
• 基于空间分辨的尘埃与气体形态，评估盘结构的演化序列。

提出的方法

• 利用VLTI/MIDI干涉仪在高角分辨率下获取N波段可见度，以绘制10 μm 尘埃辐射的分布。
• 利用[O i] 6300 Å 线的高分辨率光学光谱追踪电离氧气体的空间分布。
• 对MIDI可见度数据拟合简单几何模型（均匀盘和均匀环），以推断尘埃辐射的尺寸与结构。
• 对可见度数据进行去卷积，并引入倾角和位置角校正，以考虑盘的取向影响。
• 通过两个基于贝塞尔函数的可见度函数之差，推导双环模型的可见度。
• 将均匀环的可见度计算为两个均匀盘可见度之差，并引入因倾角导致的次轴向压缩因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等质量恒星周围的原行星盘中，尘埃与气体的空间分布是否显示出分离的迹象？
• RQ2 在相同盘中，尘埃（10 μm 辐射）与气体（[O i] 6300 Å 辐射）的形态如何比较？
• RQ3 尘埃与气体结构之间的差异对盘演化及尘埃生长、沉降等物理过程意味着什么？
• RQ4 观测到的气体分布是否与扇形盘结构一致？其与尘埃分布相比如何？
• RQ5 能否将三个系统（HD 101412、HD 135344 B 和 HD 179218）解释为从扇形盘到平坦盘的演化序列？

主要发现

• HD 101412 和 HD 135344 B 在 2 AU 以内表现出紧凑的 10 μm 辐射，而其 [O i] 辐射则呈现双峰结构，内峰位于 <2 AU，外峰位于 5–10 AU。
• 在 HD 101412 和 HD 135344 B 中，主尘埃辐射区之外检测到空间扩展的PAH辐射，表明存在无尘埃的表面层。
• HD 179218 展现出双环状 10 μm 尘埃辐射，峰值分别位于 ~1 AU 和 ~20 AU，但在 3–15 AU 之间无明显尘埃辐射。
• HD 179218 的 [O i] 辐射更紧凑，峰值位于 3–6 AU，表明气体结构呈扇形，但外盘可能存在气体耗竭或化学还原。
• 在 HD 101412 和 HD 135344 B 中，观测到的扇形气体与在 ~2 AU 以外的自遮蔽尘埃之间的差异，首次提供了原行星盘中气体-尘埃分离的直接观测证据。
• 这三个系统可能代表一个演化序列：初始的扇形盘由于尘埃生长、尘埃沉降和气体-尘埃分离而演变为更平坦的结构。