[論文レビュー] A likely planet-induced gap in the disk around T Cha

Nathanial P. Hendler, Paola Pinilla+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

高分解能ALMA 3 mm観測により、T Cha原始惑星系円盤に1.2 M_Jupの惑星が18–28 auのダストギャップを形成している可能性が示され、ミリ波長の粒子がマイコンサイズの粒子よりも星から遠くに位置している。波長依存のリング位置とギャップ幅は、惑星-円盤相互作用を示唆しており、単一の巨大惑星よりも複数の低質量惑星の存在がより妥当である。

ABSTRACT

We present high resolution ($0.11" imes0.06"$) 3mm ALMA observations of the highly inclined transition disk around the star T Cha. Our continuum image reveals multiple dust structures: an inner disk, a spatially resolved dust gap, and an outer ring. When fitting sky-brightness models to the real component of the 3mm visibilities, we infer that the inner emission is compact ($\le1$au in radius), the gap width is between 18-28 au, and the emission from the outer ring peaks at $\sim36$ au. We compare our ALMA image with previously published 1.6$μ$m VLT/SPHERE imagery. This comparison reveals that the location of the outer ring is wavelength dependent. More specifically, the peak emission of the 3mm ring is at a larger radial distance than that of the 1.6$μ$m ring, suggesting that millimeter-sized grains in the outer disk are located further away from the central star than micron-sized grains. We discuss different scenarios to explain our findings, including dead zones, star-driven photoevaporation, and planet-disk interactions. We find that the most likely origin of the dust gap is from an embedded planet, and estimate --- for a single planet scenario --- that T Cha's gap is carved by a $1.2M_{jup}$ planet.

研究の動機と目的

• 高分解能ALMA 3 mm連続スペクトル観測を用いて、T Chaの遷移円盤におけるダストギャップの起源を特定すること。
• ミリ波長と近赤外線（1.6 µm）の放射構造を比較し、粒子サイズの分離および径方向分布の違いを調査すること。
• ギャップが惑星-円盤相互作用、光蒸発、または他のメカニズムによって引き起こされているかどうかを評価すること。
• 観測されたギャップ幅と径方向構造に整合する埋蔵惑星の質量および数を制約すること。
• 理論的モデルによる惑星誘発圧力バリアとダストトラップとの観測構造の整合性を評価すること。

提案手法

• T Chaの円盤の高分解能（0.11″ × 0.06″）3 mm ALMA連続スペクトル観測を取得した。
• 3 mm visibilitiesの実部成分にスカイ輝度モデルをフィットさせ、内側円盤、ギャップ、外側リングの空間的構造を導出した。
• ALMA 3 mmデータと高分解能VLT/SPHERE 1.6 µm散乱光画像を比較し、波長依存の放射ピークの径方向位置を分析した。
• 2次元流体力学的およびダスト進化モデル（de Juan Ovelar et al. 2013）を用いて、近赤外線リング半径とミリ波長ピーク半径の比から惑星質量を推定した。
• ギャップサイズ、降着率、径方向構造を用いて、惑星-円盤相互作用、星駆動光蒸発、デッドゾーンといった代替メカニズムを評価した。
• 単一惑星と複数惑星のケースを比較し、観測されたギャップ幅が単一惑星ギャップの理論的予測と一致するかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T Chaの円盤におけるダストギャップの起源は何か：惑星-円盤相互作用、光蒸発、または他のプロセスか？
• RQ2 外側リングの3 mm放射ピークが1.6 µmよりもより大きな径方向距離に位置しているのはなぜか。これは粒子サイズ分布にどのような含意を持つのか？
• RQ3 単一惑星シナリオを仮定した場合、観測されたギャップを形成するのに必要な最小惑星質量は何か？
• RQ4 観測されたギャップ幅は単一惑星に起因するものと一致するか。それとも、重複するギャップを持つ複数の惑星を必要としているか？
• RQ5 観測された円盤構造は、惑星誘発圧力バリアにおけるダストトラップの理論的モデルとどのように一致するか？

主な発見

• ALMA 3 mm画像は、内側円盤（≤1 au）、18–28 auの幅のダストギャップ、およびピークが約36 auに位置する外側リングを明らかにした。
• 外側リングに存在するミリサイズの粒子は、1.6 µm SPHERE画像で観測されたマイコンサイズの粒子よりもより星から遠くに位置しており、径方向分離が示唆された。
• 近赤外線リング半径とミリ波長ピーク半径の比（R_wall,NIR / R_peak,mm = 0.8）は、単一惑星シナリオにおいて1.2 M_Jupの惑星が存在することを示唆している。
• 観測されたギャップ幅（≥18 au）は、単一惑星ギャップの理論的最大幅（径方向位置の30–40%）を上回っており、複数の惑星がより妥当である。
• 低降着率（4×10⁻⁹ M_☉/yr）とギャップサイズが、必要な成長時間スケールと整合しないことから、星駆動光蒸発はギャップの起源として除外された。
• 観測構造は、ダストトラップが圧力最大値に形成され、ミリサイズ粒子がマイコンサイズ粒子よりも外側に蓄積される惑星-円盤相互作用と最も整合的である。