[论文解读] GASPS observations of Herbig Ae/Be stars with PACS/Herschel. The atomic and molecular content of their protoplanetary discs

G. Meeus, B. Montesinos+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 78

一句话总结

本研究基于赫歇尔/帕克斯空间望远镜的远红外光谱观测，对20颗金牛T型Ae/Be星和5个A型碎片盘进行了观测，100%检测到[O I] 63 μm发射线，并首次在原行星盘（HD 163296）中实现H₂O和OH的远红外波段探测。研究识别出恒星紫外辐射是[O I] 63 μm的主要激发机制，而吸积或X射线 luminosity 对该发射线无显著影响。

ABSTRACT

We observed a sample of 20 representative Herbig Ae/Be stars and five A-type debris discs with PACS onboard of Herschel. The observations were done in spectroscopic mode, and cover far-IR lines of [OI], [CII], CO, CH+, H2O and OH. We have a [OI]63 micron detection rate of 100% for the Herbig Ae/Be and 0% for the debris discs. [OI]145 micron is only detected in 25%, CO J=18-17 in 45% (and less for higher J transitions) of the Herbig Ae/Be stars and for [CII] 157 micron, we often found spatially variable background contamination. We show the first detection of water in a Herbig Ae disc, HD 163296, which has a settled disc. Hydroxyl is detected as well in this disc. CH+, first seen in HD 100546, is now detected for the second time in a Herbig Ae star, HD 97048. We report fluxes for each line and use the observations as line diagnostics of the gas properties. Furthermore, we look for correlations between the strength of the emission lines and stellar or disc parameters, such as stellar luminosity, UV and X-ray flux, accretion rate, PAH band strength, and flaring. We find that the stellar UV flux is the dominant excitation mechanism of [OI]63 micron, with the highest line fluxes found in those objects with a large amount of flaring and greatest PAH strength. Neither the amount of accretion nor the X-ray luminosity has an influence on the line strength. We find correlations between the line flux of [OI]63 micron and [OI]145 micron, CO J = 18-17 and [OI]6300 Å, and between the continuum flux at 63 micron and at 1.3 mm, while we find weak correlations between the line flux of [OI]63 micron and the PAH luminosity, the line flux of CO J = 3-2, the continuum flux at 63 micron, the stellar effective temperature and the Brgamma luminosity. (Abbreviated version)

研究动机与目标

• 利用远红外光谱研究金牛T型Ae/Be星周围原行星盘中的原子与分子气体成分。
• 确定[O I] 63 μm、[C II] 157 μm、CO、H₂O和OH等关键发射线的主要激发机制。
• 探究线亮度与恒星或盘参数（如紫外辐射、吸积率、PAH辐射、盘几何结构）之间的相关性。
• 通过线亮度比估算盘气体质量，并与详细的辐射转移模型进行比较。
• 识别年轻中等质量恒星系统中气体发射的物理条件与化学过程。

提出的方法

• 利用赫歇尔空间望远镜搭载的帕克斯仪器，在远红外波段（50–200 μm）进行光谱观测。
• 测量关键原子与分子线的流量：[O I] 63 μm与145 μm、[C II] 157 μm、CO J=18-17与J=3-2、H₂O、OH及CH⁺。
• 利用线流量比（特别是[O I] 63 μm / 12CO J=2-1）通过经验标定估算盘气体质量。
• 将线流量与恒星参数（有效温度、紫外与X射线辐射）及盘特性（PAH辐射、盘面展展、1.3 mm波长尘埃连续谱）进行相关性分析。
• 应用空间滤波与背景扣除技术，以减轻[ C II] 157 μm测量中的污染影响。
• 将结果与HD 163296和HD 169142的现有辐射转移模型进行对比，以验证气体质量估算的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么激发机制驱动了金牛T型Ae/Be盘大气中[O I] 63 μm的发射？
• RQ2 远红外波段的[O I]、CO、H₂O和OH线流量如何与恒星紫外辐射、吸积率及盘几何结构相关？
• RQ3 基于[O I] 63 μm与CO J=2-1线流量，推断出的金牛T型Ae/Be盘气体质量是多少？
• RQ4 为何H₂O发射仅在特定盘（如HD 163296）中被探测到？这对盘的化学与结构有何启示？
• RQ5 尘埃连续谱特性（如1.3 mm波长）与SED谱指数在多大程度上与这些系统中的气体线发射相关？

主要发现

• [O I] 63 μm线在100%的金牛T型Ae/Be星中被检测到，而在A型碎片盘中检测率为0%。
• 恒星紫外辐射是[O I] 63 μm的主要激发机制，其线流量与总紫外辐射及PAH辐射显著相关。
• 未发现[O I] 63 μm流量与吸积率或X射线辐射之间的显著相关性，表明吸积并非该发射线的主要驱动力。
• 首次在HD 163296的盘中实现H₂O和OH的远红外波段探测，该源具有稳定且平坦的盘结构。
• 在另一颗金牛T型Ae星HD 97048中第二次探测到CH⁺，证实其在高紫外环境中的存在。
• 基于[O I] 63 μm / 12CO J=2-1流量比估算的气体质量范围为0.25至25×10⁻³ M☉，与HD 163296和HD 169142的详细建模结果一致。