[论文解读] Search for H3+ in HD141569A

Miwa Goto, T. R. Geballe+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 32被引用 8

一句话总结

本研究利用英国红外望远镜（UKIRT）和昴星望远镜（Subaru）的高分辨率红外光谱，搜索了年轻恒星HD 141569A周围的原行星盘中H₃⁺的发射。尽管目标是3.42至3.99 μm之间的11条H₃⁺跃迁线，但未检测到任何发射；其上限显著低于此前报告的检测结果，对这一系统中H₃⁺存在的真实性提出质疑。

ABSTRACT

A search for H3+ line emission, reported to have been detected toward the young star HD 141569A and possibly originating in a clump of planet-forming gas orbiting the star, has yielded negative results. Observations made at the United Kingdom Infrared Telescope and at the Subaru Telescope during 2001-2005 covered 11 major transitions of H3+ from 3.42 to 3.99 um. No H3+ emission lines were detected; one marginal detection at 3.9855 um in June 2002 was not confirmed in later spectra. The upper limits to the line strengths are significantly lower than the previously reported detections. Supplemental slit-scanning spectroscopy using adaptive optics was performed within 0.38 of HD 141569A to search for extended emission from H3+, but no emission was detected. We compare our upper limit to the luminosity in H3+ from HD 141569A with that possible from a gas giant protoplanet and also from a jovian mass exoplanet in close orbit about its central star.

研究动机与目标

• 验证此前报告的HD 141569A中H₃⁺发射，特别是4.0 μm附近Q(1,0)和Q(3,0)线的检测结果。
• 检验H₃⁺发射是否可能源自围绕HD 141569A运行的行星形成气体团块或原行星。
• 评估在年轻恒星周围近距离轨道上，气态巨行星系外行星或原行星的H₃⁺可探测性。
• 利用高分辨率光谱和自适应光学技术，建立HD 141569A中H₃⁺谱线强度的严格上限。
• 在已知反应速率和激发机制的背景下，评估报告的H₃⁺光度的合理性。

提出的方法

• 使用昴星望远镜上的IRCS仪器和UKIRT上的CGS4仪器，获取了HD 141569A的高分辨率红外光谱（R ≈ 20,000–33,000）。
• 在昴星望远镜上利用自适应光学进行狭缝扫描观测，以在距离恒星0.38角秒以内的区域搜索扩展的H₃⁺发射。
• 在2001至2005年间，对3.42至3.99 μm之间的11条主要H₃⁺转动-振动跃迁进行了观测。
• 使用标准星进行大气吸收校正和通量定标，以确保测光精度。
• 应用严格的数据还原和线轮廓分析方法，以高灵敏度检测微弱发射线。
• 将所得上限与理论预期的木星级系外行星或原行星在近距离轨道上产生的H₃⁺光度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前报告的HD 141569A中H₃⁺发射是否真实存在，还是仪器或数据还原效应造成的伪影？
• RQ2 当前仪器能否探测到HD 141569A系统中行星形成气体团块或原行星的H₃⁺发射？
• RQ3 在距离恒星0.05 AU处，气态巨行星系外行星可能产生的最大H₃⁺光度是多少？
• RQ4 HD 141569A中报告的H₃⁺线强度是否与已知的星际反应速率和碰撞激发机制一致？
• RQ5 本系统中未检测到H₃⁺发射，是否意味着内盘中不存在大质量、高温、分子气体储层？

主要发现

• 在3.42至3.99 μm之间观测的11条跃迁线中，均未检测到H₃⁺发射线，尽管光谱分辨率和灵敏度很高。
• 2002年6月在3.9855 μm处的微弱检测在后续观测中未被确认，表明其很可能是虚假信号。
• H₃⁺谱线强度的上限比Brittain & Rettig（2002）报告的通量低至少50倍，严重质疑其检测结果的真实性。
• 在HD 141569A周围0.38角秒范围内未发现扩展的H₃⁺发射，排除了来自空间分辨气体团块的发射可能性。
• 推导出的H₃⁺光度上限远低于解释先前报告信号所需的光度，即使在最乐观的假设下也是如此。
• 理论建模表明，即使在0.05 AU处存在一颗木星级系外行星，其产生的H₃⁺发射最多也只有约10⁻²¹ W m⁻²的几倍，低于本系统中的可探测阈值，表明H₃⁺探测仍是严峻的技术挑战。