[论文解读] Gas in Protoplanetary Discs (GASPS) 1. First results

G. S. Mathews, W. R. F. Dent+51 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 17

一句话总结

本研究利用赫歇尔望远镜的PACS仪器对四个原行星盘进行了远红外光谱和测光观测，检测到三个源（HD 169142、TW Hydrae、RECX 15）的[OI] 63 µm发射线，但未检测到[CII] 158 µm或[OI] 145 µm发射。结果揭示了[OI] 63 µm线与连续谱辐射比值的广泛变化，表明某些盘中存在极端的气尘质量比，尤其是RECX 15，其在850 µm处未被探测到，表明这是一种此前未被探索的、富含气体但尘埃稀少的盘态，极为罕见。

ABSTRACT

Context - Circumstellar discs are ubiquitous around young stars, but rapidly dissipate their gas and dust on timescales of a few Myr. The Herschel space observatory allows for the study of the warm disc atmosphere, using far-infrared spectroscopy to measure gas content and excitation conditions, and far-IR photometry to constrain the dust distribution. Aims - We aim to detect and characterize the gas content of circumstellar discs in four targets as part of the Herschel science demonstration phase. Methods - We carried out sensitive medium resolution spectroscopy and high sensitivity photometry at lambda ~60-190 micron using the Photodetector Array Camera and Spectrometer instrument on the Herschel space observatory. Results - We detect [OI] 63 micron emission from the young stars HD 169142, TW Hydrae, and RECX 15, but not HD 181327. No other lines, including [CII] 158 and [OI] 145, are significantly detected. All four stars are detected in photometry at 70 and 160 micron. Extensive models are presented in associated papers.

研究动机与目标

• 利用赫歇尔望远镜的高灵敏度光谱和测光技术，探测并表征原行星盘的远红外气体发射。
• 研究原行星系统形成早期阶段的原恒星盘中的气体含量和激发条件。
• 通过测量线与连续谱通量比并对比模型，探索富含气体、尘埃稀少的盘的普遍性。
• 评估以往研究的局限性，这些研究主要关注热内盘发射或冷外盘亚毫米线发射。
• 确定在已知大半径的盘（如HD 169142）中，[CII] 158 µm发射是否可被探测到。

提出的方法

• 利用赫歇尔空间望远镜上的光子探测阵列相机与光谱仪（PACS）在60–190 µm波段进行中等分辨率光谱观测。
• 在70和160 µm波段进行高灵敏度测光，以约束尘埃分布和连续谱发射。
• 将[OI] 63 µm、[CII] 158 µm和[OI] 145 µm的线通量比与模型预测进行比较，以评估发射来源。
• 利用3σ上限和下限解释非探测结果，特别是针对[CII] 158 µm和[OI] 145 µm。
• 将观测到的线与连续谱通量比与理论模型对比，推断气尘质量比和盘结构。
• 通过与已知喷流源的线比比较，评估结果与盘发射的一致性，而非喷流或喷流活动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用赫歇尔望远镜的灵敏度探测到原行星盘中的远红外[OI] 63 µm发射？其对气体激发状态有何启示？
• RQ2 尽管模型预测表明可探测，为何在四个目标中均未检测到[CII] 158 µm发射？
• RQ3 为何RECX 15的[OI] 63 µm线与连续谱通量比远高于其他盘，表现出异常高的比值？
• RQ4 观测到的线通量比在多大程度上支持盘发射而非喷流或喷流活动？
• RQ5 富含气体、尘埃稀少的盘有多普遍？在850 µm处未探测到RECX 15对其实气体与尘埃质量比有何启示？

主要发现

• [OI] 63 µm发射在HD 169142、TW Hydrae和RECX 15中被探测到，通量范围为140 pc距离处的4至90 × 10⁻¹⁸ W/m²。
• 在四个目标中均未发现[CII] 158 µm或[OI] 145 µm的显著探测信号，尽管模型预测在更长积分时间下应可探测到。
• RECX 15的[OI] 63 µm线与连续谱通量比达到17，显著高于HD 169142和TW Hydrae的0.3–1，表明可能存在增强的气尘质量比。
• RECX 15在850 µm处未被探测到，与高气尘质量比一致，类似于49 Ceti系统，表明这是一种罕见的、富含气体但尘埃稀少的盘。
• 所有三个被探测到的源的线通量比与盘发射一致，而非喷流，基于与喷流源的比较。
• 模型预测表明，若积分时间更长，[CII] 158 µm可能在TW Hydrae和RECX 15中被探测到，[OI] 145 µm也可能在HD 169142中被探测到。