正在形成的行星系统中的水贮藏探测

(虽然是周末了,不过我上周偷了个懒,还是需要补上的,明天会一如既往的给大家带来周末福利,不过今天还是给大家带来一篇文章的介绍,关于Herschel在行星形成系统中发现大量水分子的Science文章,昨天各个国外的科普网站都对这篇工作有所介绍,这里我参考Science原文介绍一下吧,又是我不熟悉的领域,希望业内人士多多指教)

文章:Detection of the Water Reservoir in a Forming Planetary System

  • 作者:Michiel R. Hogerheijde, Edwin A. Bergin, Christian Brinch, L. Ilsedore Cleeves, Jeffrey K. J. Fogel, Geoffrey A. Blake 等
  • 论文索引:astro-ph/1110.4600
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章概要:

李白同学说“黄河之水天上来“,可是天文学家比李白想象力还要丰富的多,目前有一种很有意思的理论就是说地球上早期的水,或者说海洋其实是由行星形成过程中的”icy bodies“ (我实在不知道该怎么翻译了,而且我不太清楚彗星算不算这样的icy body,似乎太大了)带来的,可惜的是,我们生活在一个已经成熟的行星系统中,对于真正的行星形成过程中水分子的作用知道的非常有限,可喜可贺的是,Hershcel望远镜上面的高分辨率远红外光谱仪HIFI(Heterodyne Instrument for the Far-Infrared)第一次在年轻恒星长蛇座TW周围的行星盘中探测到了低温的水分子发射,虽然探测到的分子发射来自气体状态的水,但是这些”水蒸汽“其实来自尘埃盘附近的覆盖着水冰的尘埃颗粒,而且根据估计,这些水冰分子的总量达到了地球海洋总水量的几千倍,如果真的是这样的话,看来李白同学的诗句其实一点儿都不夸张


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图一:Herschel HIFI设备在TW Hydra系统中观测到的两条水分子发射线,图中垂直的点线是系统相对于本地静止系的速度。

背景知识:

在原始的太阳星云中,在3倍的天文单位之外,水分子会被冻结在尘埃颗粒的表面,这些”icy bodies“可以通过撞击过程把这些水分子带到地球上;在行星形成盘上,水分子气体一般被认为只存在于盘内部区域的温度比较高的区域 (>250K),在这个区域,大部分的O原子都被锁定在水分子中,这些水分子的发射已经在几个年轻恒星的周围被探测到了;在外部低温区域(~20K),水分子都被冻结在了尘埃的表面 ,这样的水冰分子的光谱证据也在少数恒星周围找到了;不过除了这种情况,恒星或者是星际的紫外辐射可以穿透尘埃盘,把部分水分子从冻结的状态中”解放“出来,这就意味着低温的水分子发射应该在整个行星盘上都能探测到,而且可以揭示出盘内隐藏的水冰贮藏

本文工作:

长蛇座TW (TW Hya)是一颗质量0.6太阳质量,大约1000万年寿命的主序前星,或者说,金牛座T型星,距离我们大概53pc,围绕着这颗年轻恒星周围有一个半径196天文单位的原行星盘,这也是距离地球最近的有很强发射线探测的原行星盘;这次HIFI探测到的是水分子的两种自旋同分异构体(para-H_{2}O; ortho-H_{2}O)的基态旋转发射线,水分子发射线的线宽比CO分子发射线的宽度还要宽40%,意味着在115pc的半径内,盘上都有比较冷的水分子发射线探测。

当然,仅仅有分子谱线的探测还不能简单的让我们知道到底有多少水分子和水冰贮藏在原恒星盘中,为了这个目的,作者对水分子在辐射场中的各种化学过程和结合了一个比较真实的盘模型的谱线形成过程做了细致的考虑和模拟,在这个过程中,需要根据其他的观测对盘中的尘埃和气体质量的估计;来自恒星的UV辐射和X-ray发射穿透盘产生水分子发射线的过程被分成:photodesorption(光解吸过程)和后续的气态化学过程以及光致离解过程,在这个环境中,水冰分子的光致解吸过程和水分子的光致离解过程结合在一起,使得整个盘上的水分子柱密度分布都处于统计学平衡的状态,这个模型和本文得到的观测结果可以比较好的符合在一起,而且,作者还发现在盘的中等高度的区域存在着一个水分子相对于氢分子密度的极大值,在这个高度以上,水分子更倾向于被光致离解,在这个高度以下,光致解吸过程很少发生,水分子多被冻结在水冰当中。通过结合模型的模拟过程,作者发现整个盘上水分子质量是7.3\times10^{24}g,大约是地球海洋总水量的0.5%,而被冻结在水冰中的水分子总质量是9\times10^{27}g,是地球海洋质量的几千倍;虽然Hershcel的光谱探测只是间接的,但是作者在计算模型的时候使用了很保守的尘埃质量估计,考虑到各种观测上的因素,应该认为的到的水分子在盘上分布的半径和总的水冰贮藏的估计还是比较可靠的。


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图二:对TW Hydra系统的原恒星盘得到的模型描述,图A描述了H_2分子数密度分布,图B反应了尘埃温度,图C反映了水分子的面密度分布,图中几条不同深浅的实现反应了相对于氢分子的水冰丰度的分布;图D展示了从正向看到的盘的水分子密度分布

Herschel探测到的两条水分子发射线分别来自两种不同的自旋同分异构体,这两条线的流量比值也可以估计出来,作者发现,在长蛇座TW中,para–to-ortho 发射线的比值比太阳系中观测到的要低了不少;由于在一定的自旋温度下,水分子的两种同分异构的比例有一定的分布,因此根据这两条谱线的比例也可以的到自旋温度的估计,也就是说,长蛇座TW中的水分子自旋温度比太阳系中要系统上偏低一些,虽然这里面还有很多过程,比如两种同分异构分子之间有没有转化的过程等等,尚且不太清楚,但是考虑到太阳系中的水分子para-to-ortho比值主要来自彗星的测量,可以合理的估计,演化到现在,太阳系彗星中的水分子包含了从太阳系演化不同时期,不同半径处”收集“来的不同性质的水冰成分。

延伸阅读:

1. Herschel官方关于这个发现的新闻发布
2. Herschel上的HIFI设备的介绍

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