[论文解读] Radiation thermo-chemical models of protoplanetary discs. IV Modelling CO ro-vibrational emission from Herbig Ae discs

W.‐F. Thi, I. Kamp+4 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 29, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 89被引用 32

一句话总结

本研究在ProDiMo中开发了一个全面的辐射热化学模型，用于模拟赫比格Ae原行星盘中CO的转振发射，涵盖九个振动态中的最多50个转动能级，以及与H₂、H、He和电子的碰撞速率。关键发现是，紫外荧光激发有效填充了高振动态（v = 1–9），导致振动温度超过气体动能温度，尤其在低质量盘中表现明显；而红外激发和碰撞过程则塑造了转动能级分布，光学厚的12CO v=1–0谱线导致推导出的温度出现偏差。

ABSTRACT

The carbon monoxide rovibrational emission from discs around Herbig Ae stars and T Tauri stars with strong ultraviolet emissions suggests that fluorescence pumping from the ground X1 Sigma+ to the electronic A1 Pi state of CO should be taken into account in disc models. We implemented a CO model molecule that includes up to 50 rotational levels within nine vibrational levels for the ground and A excited states in the radiative photochemical code ProDiMo. We took CO collisions with hydrogen molecules, hydrogen atoms, helium, and electrons into account. We estimated the missing collision rates using standard scaling laws and discussed their limitations. UV fluorescence and IR pumping impact on the population of ro-vibrational v > 1 levels. The v = 1 rotational levels are populated at rotational temperatures between the radiation temperature around 4.6 micron and the gas kinetic temperature. The UV pumping efficiency increases with decreasing disc mass. The consequence is that the vibrational temperatures, which measure the relative populations between the vibrational levels, are higher than the disc gas kinetic temperatures (suprathermal population). Rotational temperatures from fundamental transitions derived using optically thick 12CO lines do not reflect the gas kinetic temperature. CO pure rotational levels with energies lower than 1000 K are populated in LTE but are sensitive to a number of vibrational levels included in the model. The 12CO pure rotational lines are highly optically thick for transition from levels up to Eupper=2000 K. (abridged)

研究动机与目标

• 理解赫比格Ae盘中CO转振发射的激发机制，特别是高度激发的振动态和转动能级的激发过程。
• 评估从X¹Σ⁺到A¹Π电子跃迁的紫外荧光激发在填充高振动态（v = 1–9）中的作用。
• 量化红外（IR）激发和碰撞过程对CO振动态和转动能级分布的影响。
• 评估利用光学厚的12CO v=1–0谱线推导出的转动能级温度在估算气体动能温度时的可靠性。
• 检验碰撞速率系数的不确定性对预测CO谱线流量的影响。

提出的方法

• 在ProDiMo辐射化学代码中实现了完整的CO模型，涵盖基态（X¹Σ⁺）和激发态（A¹Π）电子态中九个振动态的最多50个转动能级。
• 引入了CO与H₂、H、He和电子的碰撞速率系数，并使用缩放定律估算缺失值。
• 采用Voigt线型求解非局部热动平衡（non-LTE）谱线辐射转移，同时耦合气体热平衡与化学网络计算。
• 模拟了四种不同质量（10⁻², 10⁻⁴ M⊙）和内半径（1, 20 AU）的盘模型，以评估盘结构的影响。
• 将模型预测与赫比格Ae盘中观测到的CO谱线流量及振动温度诊断结果进行比较。
• 利用空间和光谱分辨的CO、13CO、C18O和C17O数据作为约束，以区分光学深度效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在赫比格Ae盘大气中，紫外荧光激发在填充高振动态（v = 1–9）方面有多高效？
• RQ2 红外激发和碰撞过程在温暖盘区域对CO的转动能级和振动态激发的影响程度如何？
• RQ3 为何在赫比格Ae盘中观测到的振动温度超过气体动能温度？其背后的物理机制是什么？
• RQ4 碰撞速率系数的不确定性对预测CO谱线流量和推导出的温度有何影响？
• RQ5 光学厚的12CO v=1–0谱线在多大程度上会扭曲真实气体动能温度的估计？

主要发现

• 紫外荧光激发能有效填充高振动态（v = 1–9），导致振动温度（T_vib）超过气体动能温度，表明存在非热激发。
• 紫外激发效率随盘质量减小而提高，尤其在低质量盘（M_disc < 10⁻³ M⊙）中最为显著，此时碰撞去激发效率较低。
• v=1态中的转动能级被填充至介于4.6 μm辐射温度与气体动能温度之间的温度，表明转动能级处于亚热激发状态。
• 光学厚的12CO v=1–0谱线导致推导出的转动能级温度无法准确反映真实气体动能温度，尤其在高J跃迁中更为明显。
• 碰撞速率系数在数量级范围内的不确定性可导致谱线流量变化高达20%，表明模型对输入数据高度敏感。
• 能量低于1000 K的纯转动能级处于局部热动平衡（LTE），但其布居数对模型中包含的振动态数量敏感，尤其在光学深度较高的区域。