[论文解读] 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 34

一句话总结

本研究利用阿佩克斯望远镜（APEX）观测，首次在原行星盘TW Hydrae和HD 100546中明确检测到[C i] 1–0谱线，结合DALI代码的辐射转移建模，表明CO与[C i]发射共同约束气相碳丰度，揭示TW Hya中存在100倍的碳耗竭，而HD 100546中接近星际介质（ISM）水平的碳丰度；由于灵敏度限制，未来需开展更深度的巡天以获得更广泛的约束。

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.

研究动机与目标

• 直接观测并建模原行星盘中CO与[C i]的气相碳储库，以评估其元素丰度。
• 确定在存在盘参数不确定性的前提下，观测到的CO与[C i]发射线是否能稳健约束气相[C]/[H]比值。
• 通过结合APEX观测与物化盘模型，识别出可能存在碳耗竭或气体质量偏低的系统。
• 评估未来巡天所需灵敏度，以可靠测量统计上显著样本中盘的[C]/[H]气相丰度。
• 利用多线发射诊断，区分碳耗竭与气体贫乏（类碎片盘）的盘演化情景。

提出的方法

• 利用阿佩克斯望远镜在亚毫米波段对37个源进行CO 6–5、[C i] 1–0与[C i] 2–1谱线的巡天观测。
• 补充文献中的[C ii] 158 μm数据，用于比较盘大气中CO与[C i]的发射特征。
• 采用DALI代码生成的物理-化学盘模型网格，模拟不同盘结构与碳丰度下的谱线发射。
• 通过辐射转移建模解释观测到的谱线强度与轮廓，特别聚焦于TW Hya与HD 100546中[C i] 1–0线的分析。
• 量化参数不确定性（如盘径向范围、温度结构）对推断的[C]/[H]气相值的影响。
• 通过比较模型预测与观测上限及检测结果，评估检测极限与灵敏度需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘中气相碳丰度[C]/[H]的值是多少，能否通过CO与[C i]发射得到约束？
• RQ2 [C i] 1–0线能否在原行星盘中可靠检测？其存在或缺失对碳储库意味着什么？
• RQ3 盘结构参数（如径向范围、温度分布）的不确定性如何影响从观测谱线强度推断[C]/[H]气相值？
• RQ4 在样本中，哪些盘可能因CO与[C i]未检测到而被判定为碳耗竭或气体贫乏？
• RQ5 为可靠约束大多数原行星盘中[C]/[H]气相丰度，[C i]与CO谱线所需的灵敏度需提升多少？

主要发现

• 在两个盘中首次明确检测到[C i] 1–0线：TW Hydrae（距离55 pc，通量密度约7×10⁻²⁰ W m⁻²）与HD 100546（距离97 pc，通量密度约2×10⁻¹⁹ W m⁻²），标志着该谱线在原行星盘中的首次确凿探测。
• TW Hya中[C i] 1–0线的检测结果与气相碳100倍的匮乏一致，证实了Favre等人（2013）的早期结果。
• 对于HD 100546，[C i]发射表明气相碳丰度接近星际介质（ISM）水平，与Bruderer等人（2012）的结论一致。
• 当前巡天灵敏度不足以对大多数系统实现稳健的[C]/[H]气相丰度约束，[C i] 1–0线需至少提升3倍灵敏度，[C i] 2–1线需提升10倍。
• BP Tau、T Cha、HD 139614、HD 141569与HD 100453等系统中CO与/或[C i]的上限与碳耗竭或气体质量偏低一致，值得后续观测跟进。
• 赫比格Ae/Be型盘若未检测到[C ii]，通常为气体贫乏的类碎片盘系统；而T Tauri型盘中[C i] 2–1检测率低，主要受灵敏度限制影响。