[论文解读] The Herschel view of Gas in Protoplanetary Systems (GASPS). First comparisons with a large grid of models

C. Pinte, P. Woitke+50 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|May 20, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用 16

一句话总结

本文提出了一套包含30万组辐射转移与化学模型（DENT）的网格，结合MCFOST与ProDiMo，用于解释赫歇尔空间望远镜GASPS巡天对原行星盘气体的观测。结果表明，[OI] 63 μm发射线，结合CO转动跃迁线与连续谱数据，对于打破参数歧义并估算盘气体质量至关重要，尤其是在CO线在高气体质量下发生饱和时。

ABSTRACT

The Herschel GASPS Key Program is a survey of the gas phase of protoplanetary discs, targeting 240 objects which cover a large range of ages, spectral types, and disc properties. To interpret this large quantity of data and initiate self-consistent analyses of the gas and dust properties of protoplanetary discs, we have combined the capabilities of the radiative transfer code MCFOST with the gas thermal balance and chemistry code ProDiMo to compute a grid of 300 000 disc models (DENT). We present a comparison of the first Herschel/GASPS line and continuum data with the predictions from the DENT grid of models. Our objective is to test some of the main trends already identified in the DENT grid, as well as to define better empirical diagnostics to estimate the total gas mass of protoplanetary discs. Photospheric UV radiation appears to be the dominant gas-heating mechanism for Herbig stars, whereas UV excess and/or X-rays emission dominates for T Tauri stars. The DENT grid reveals the complexity in the analysis of far-IR lines and the difficulty to invert these observations into physical quantities. The combination of Herschel line observations with continuum data and/or with rotational lines in the (sub-)millimetre regime, in particular CO lines, is required for a detailed characterisation of the physical and chemical properties of circumstellar discs.

研究动机与目标

• 利用全面的物理模型网格，解释赫歇尔GASPS关键项目中关于原行星盘气体的大型数据集。
• 通过实际赫歇尔观测的远红外谱线与连续谱发射，检验DENT模型网格的预测能力。
• 识别出可在存在观测歧义的情况下可靠估算盘气体质量与气尘质量比的经验诊断工具。
• 评估不同恒星类型（赫比格型与T Tauri型）的恒星紫外辐射、X射线及紫外过量在加热盘气体中的相对作用。
• 评估[OI] 63 μm与低阶CO线在探测温暖内盘区域与外盘组分方面的互补性。

提出的方法

• 将MCFOST辐射转移代码与ProDiMo代码耦合，模拟原恒星盘中气体的热平衡与化学过程。
• 生成约30万组盘模型的网格，覆盖广泛的恒星类型、盘年龄与物理参数。
• 利用DENT网格预测关键远红外跃迁的线辐射通量，包括[OI] 63 μm与CO J=3→2（波长867 μm）。
• 将模型预测与实际赫歇尔观测进行比较，以验证模型趋势并识别关键诊断工具。
• 评估自遮蔽效应对CO丰度计算的影响，同时承认该处理方式的局限性。
• 结合观测诊断工具（如[OI] 63 μm、CO J=3→2、连续谱）以打破盘质量估算中的参数歧义。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同恒星类型（赫比格型与T Tauri型）的紫外与X射线照射如何影响原行星盘中气体的加热？
• RQ2 当CO线发生饱和时，[OI] 63 μm发射在多大程度上可作为盘气体质量的可靠代理？
• RQ3 连续谱发射与CO转动跃迁线在约束盘的物理与化学结构方面发挥何种作用？
• RQ4 气体质量、气尘质量比与光学深度之间的歧义如何影响从谱线观测反演物理参数？
• RQ5 [OI] 63 μm与（亚）毫米CO线的组合能否克服高质盘中CO线饱和的问题？

主要发现

• 对于赫比格星，光球紫外辐射是主导的气体加热机制；而对于T Tauri星，紫外过量和/或X射线起主导作用。
• [OI] 63 μm线对内盘10–30 AU范围内的温暖气体极为敏感，是打破盘参数估算中歧义的关键诊断工具。
• 由于连续谱过量与线辐射通量之间存在强相关性，大量具有远红外过量的盘预计可通过赫歇尔望远镜在[OI] 63 μm波段被探测到。
• 样本中大多数盘为富气盘，气尘质量比超过10，但因数据散射与光学深度效应，单个估计值的不确定性较高。
• CO J=3→2线辐射通量在高气体质量下趋于饱和，限制了其在大质量盘中的质量估算应用，但通过结合[OI] 63 μm或低丰度同位素如13CO与C18O可克服此歧义。
• [OI] 63 μm与低阶CO线的组合可提供对内盘与外盘区域的互补视图，尤其在空间分辨条件下更为显著。