[论文解读] Dust, Ice and Gas in Time (DIGIT) Herschel program first results: A full PACS-SED scan of the gas line emission in protostar DK Cha

T. A. van Kempen, J.D. Green+43 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 25

一句话总结

本研究通过赫歇尔空间望远镜DIGIT关键项目，首次对中等质量原恒星DK Cha完成了远红外波段的完整PACS-SED扫描。利用高分辨率光谱观测，检测到近50条分子、原子和离子谱线，包括高激发态CO（最高至J=38-37，Eu/k=4080 K）、水（最高至J=7₀₇，Eu/k=843 K）和OH（最高至Eu/k=290 K），揭示了在嵌入阶段与盘主导阶段之间的过渡阶段中，存在由紫外辐射加热和激波激发共同作用的复杂气体成分。

ABSTRACT

DK Cha is an intermediate-mass star in transition from an embedded configuration to a star plus disk stage. We aim to study the composition and energetics of the circumstellar material during this pivotal stage. Using the Range Scan mode of PACS on the Herschel Space Observatory, we obtained a spectrum of DK Cha from 55 to 210 micron as part of the DIGIT Key Program. Almost 50 molecular and atomic lines were detected, many more than the 7 lines detected in ISO-LWS. Nearly the entire ladder of CO from J=14-13 to 38-37 (E_u/k = 4080 K), water from levels as excited as E_u/k = 843 K, and OH lines up to E_u/k = 290 K were detected. The continuum emission in our PACS SED scan matches the flux expected from a model consisting of a star, a surrounding disk of 0.03 Solar mass, and an envelope of a similar mass, supporting the suggestion that the object is emerging from its main accretion stage. Molecular, atomic, and ionic emission lines in the far-infrared reveal the outflow's influence on the envelope. The inferred hot gas can be photon-heated, but some emission could be due to C-shocks in the walls of the outflow cavity.

研究动机与目标

• 研究DK Cha在从深度嵌入原恒星向盘主导系统过渡期间，其周围环境的物理与化学条件。
• 理解包层和喷流腔中气体的能量分布与激发机制，特别是高J分子谱线的激发机制。
• 确定观测到的谱线辐射是否源于光子加热、激波激发，或两者共同作用。
• 检验连续谱SED是否与一颗被质量相近的盘和包层包围的恒星模型一致。
• 利用赫歇尔PACS仪器识别并表征远红外谱中所有分子、原子和离子物种的完整范围。

提出的方法

• 利用赫歇尔空间望远镜的光子探测阵列相机与光谱仪（PACS），在波长扫描模式下对DK Cha执行了完整的PACS-SED扫描，覆盖55–210 μm波段。
• 通过拟合包含恒星、盘（0.03 M⊙）和包层（0.03 M⊙）的联合模型，分析谱谱能量分布（SED）以模拟连续谱发射。
• 采用转动图分析法，推导CO、H₂O和OH的转动温度，识别出在不同激发能级下的不同气体成分。
• 将观测到的谱线流量与紫外泵浦和C-激波激发的理论模型进行比较，以推断主导的激发机制。
• 评估喷流腔几何结构和视线方向（近乎面朝）对观测谱线强度和激发条件的影响。
• 重建光谱响应函数，以评估额外特征（包括冰和尘埃组分）的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DK Cha的包层和喷流腔中气体的激发温度与密度结构如何？
• RQ2 主导高J CO、H₂O和OH谱线激发的物理机制——紫外辐射、C-激波或其他过程——是什么？
• RQ3 观测到的谱线流量与现有原恒星喷流和盘模型的预测相比如何？
• RQ4 观测到的SED在多大程度上与具有近似相等盘与包层质量的过渡天体模型一致？
• RQ5 高激发分子谱线是否可由紫外加热与激波激发的共同作用解释，还是需要其他机制？

主要发现

• 共检测到48条分子、原子和离子谱线，包括CO跃迁从J=14-13至J=38-37（Eu/k = 4080 K），表明存在极端激发条件。
• 水蒸气发射检测至J=7₀₇–6₁₆跃迁（71.93 μm，Eu/k = 843 K），证实了内区存在高温、高度激发的H₂O。
• OH谱线检测至Eu/k = 290 K，表明存在如激波或强紫外场等高能过程。
• 转动图分析揭示两组不同成分：Eu/k < 1500 K的CO谱线最佳拟合为Tror ≈ 380 K，而高J谱线则需Tror ≈ 1365 K。
• 连续谱SED可由包含中心恒星、0.03 M⊙盘和相似质量包层的模型良好拟合，支持其处于阶段I/II的过渡分类。
• 高激发谱线及谱线流量比表明，紫外光子加热与非解离C-激波可能共同贡献于激发，其中C-激波可能主导最高J的CO和H₂O谱线。