[論文レビュー] C2D Spitzer-IRS spectra of disks around T Tauri stars V. Spectral decomposition

J. Olofsson, J.‐C. Augereau+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、58個のT型前期星のSpitzer-IRSスペクトルを分析するためのB2Cスペクトル分解モデルを提示し、1 AU付近の温かい（warm）と10 AU付近の冷たい（cold）ほこり成分に分離する。このモデルにより、ディスク大気中の粒子サイズ分布が平坦化している（p ≈ -2.9および-3.15）ことが判明し、10 μm付近の平坦な特徴を説明する。また、星のスペクトル型やX線活動と相関しないが、温かい領域と冷たい領域の両方で同時に結晶性が強化されていることが判明し、局所的な粒子成長と効率的な径方向混合が関与している可能性を示唆する。

ABSTRACT

(Abridged) Dust particles evolve in size and lattice structure in protoplanetary disks, due to coagulation, fragmentation and crystallization, and are radially and vertically mixed in disks. This paper aims at determining the mineralogical composition and size distribution of the dust grains in disks around 58 T Tauri stars observed with Spitzer/IRS. We present a spectral decomposition model that reproduces the IRS spectra over the full spectral range. The model assumes two dust populations: a warm component responsible for the 10μm emission arising from the disk inner regions and a colder component responsible for the 20-30μm emission, arising from more distant regions. We show evidence for a significant size distribution flattening compared to the typical MRN distribution, providing an explanation for the usual boxy 10μm feature profile generally observed. We reexamine the crystallinity paradox, observationally identified by Olofsson et al. (2009), and we find a simultaneous enrichment of the crystallinity in both the warm and cold regions, while grain sizes in both components are uncorrelated. Our modeling results do not show evidence for any correlations between the crystallinity and either the star spectral type, or the X-ray luminosity (for a subset of the sample). The size distribution flattening may suggests that grain coagulation is a slightly more effective process than fragmentation in disk atmospheres, and that this imbalance may last over most of the T Tauri phase. This result may also point toward small grain depletion via strong stellar winds or radiation pressure in the upper layers of disk. The non negligible cold crystallinity fractions suggests efficient radial mixing processes in order to distribute crystalline grains at large distances from the central object, along with possible nebular shocks in outer regions of disks that can thermally anneal amorphous grains.

研究の動機と目的

• Spitzer-IRSデータを用いて、58個のT型前期星ディスクの惑星形成領域におけるほこりの鉱物成分と粒子サイズ分布を特定すること。
• 両方の温かい・冷たいほこり成分における結晶性ケイ酸塩分率を分析することで、結晶性パラドックスを解明すること。
• 粒子サイズの進化と結晶化が、局所的プロセスか、グローバルに結合されたプロセスかを調査すること。
• ディスクの幾何学的形状（フラレッド型対フラット型）、星のスペクトル型、X線活動がほこりの性質に与える影響を評価すること。
• ディスク大気中の粒子サイズ分布の平坦化が、破壊を上回る凝集によって生じるという仮説を検証すること。

提案手法

• B2Cモデルは、5–35 μmのSpitzer-IRSスペクトル（5–35 μm）を、1 AU未満の温かい成分と10 AU未満の冷たい成分に分け、2つのほこり成分を用いてフィットする。
• モデルは、可変な指数pを持つべきべき法則による粒子サイズ分布を仮定し、非晶質および結晶性ケイ酸塩（エンスタチート、フォスタライト、ケイ酸ジルコン）を含む。
• パラメータ空間のランダム探索を用いたベイズ推論法により、最良適合パラメータと不確実性を導出する。
• フィッティング戦略では、ほこりの表面からの放射を考慮し、粒子サイズと結晶性分率を自由パラメータとして扱う。
• 10 μm付近の特徴と20–30 μm付近の特徴を区別することで、強い非晶質特徴が存在する中での結晶性特徴の検出可能性を評価する。
• ディスクのフラレッド度はF30/F13のフラックス比によって定量化され、粒子サイズおよび結晶性との相関を統計的にテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T型前期星ディスクの大気上層部における粒子サイズ分布は何か？ また、標準的なMRN分布と比較するとどうか？
• RQ2 温かいと冷たいほこり成分における結晶性は相関しているか？ これは、グローバル処理か、局所的処理かを示唆するか？
• RQ3 フラレッド度（F30/F13比）は、いずれの成分の粒子サイズまたは結晶性と相関しているか？
• RQ4 星のスペクトル型、X線放射度、ほこりの鉱物成分（例：エンスタチート対フォスタライト）との間に検出可能な相関があるか？
• RQ5 なぜ、これらのスペクトルにおいて、20–30 μm付近での結晶性ケイ酸塩特徴が10 μm付近よりも頻繁に検出されるのか？

主な発見

• 温かいディスク成分における粒子サイズ分布は、MRN分布よりも顕著に平坦であり、平均べき乗指数はp = -2.90 ± 0.1と高く、μmサイズの粒子の成長が顕著であることを示唆する。
• 冷たい成分に対しても同様に平坦なサイズ分布（p = -3.15 ± 0.15）が観測され、粒子成長が内側のディスクに限られることはないことが示された。
• 結晶性分率は、温かい成分で16%、冷たい成分で19%であり、両者間に強い相関が認められ、最初の10 AUにわたり同時に結晶性が強化されていることを示している。
• 10 μm付近の結晶性特徴の検出率が20–30 μm付近の3.5倍高いのは、強い非晶質10 μm特徴が弱い結晶性特徴を隠してしまうコントラスト効果によるものである。
• フラレッド度が高い（F30/F13比が高い）ディスクでは、温かいほこりの粒子がより小さくなる傾向にあり、一方フラット型ディスクでは粒子サイズの多様性が広がっているが、フラレッド度と結晶性との間に相関は認められなかった。
• 星のスペクトル型、X線放射度、あるいはほこりの組成（例：エンスタチート対フォスタライト）と結晶性との間に有意な相関は認められず、時間的変動が長期的傾向をぼかしている可能性を示唆している。