[論文レビュー] Constraining the properties of the potential embedded planets in the disk around HD 100546

Max Ackermann Pyerin, Timmy N. Delage+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、ALMA 0.9 mm ダスト連続スペクトルの自己校正観測を用いて、HD 100546の原始惑星系円盤内に埋め込まれた2つの惑星の質量と公軌道半径を制約した。流体ダイナミクスシミュレーション（FARGO3D）と合成観測（RADMC-3D）を組み合わせた結果、最良の適合モデルは、13 auに位置する内側の惑星（8 MJup）と143 auに位置する外側の惑星（3 MJup）を特定した。外側のリングが内側のリングに比べて明るさが低いことを再現するには、自己相似的で指数的になだらかに減衰するガス面密度プロファイルが必要である。

ABSTRACT

Context. The protoplanetary disk around the star HD 100546 displays prominent substructures in the form of two concentric rings. Recent observations with the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) have revealed these features with high angular resolution and have resolved the faint outer ring well. This allows us to study the nature of the system further. Aims. Our aim is to constrain some of the properties of potential planets embedded in the disk, assuming that they induce the observed rings and gaps. Methods. We present the self-calibrated $0.9\,$mm ALMA observations of the dust continuum emission from the circumstellar disk around HD 100546. These observations reveal substructures in the disk that are consistent with two rings, the outer ring being much fainter than the inner one. We reproduced this appearance closely with a numerical model that assumes two embedded planets. We varied planet and disk parameters in the framework of the planet-disk interaction code FARGO3D and used the outputs for the gas and dust distribution to generate synthetic observations with the code RADMC-3D. Results. From this comparison, we find that an inner planet located at $r_1 = 13\,$au with a mass $M_1 = 8 M_{ m{Jup}}$ and an outer planet located at $r_2 = 143\,$au with a mass $M_2 = 3 M_{ m{Jup}}$ leads to the best agreement between synthetic and ALMA observations (deviation less than $3\sigma$ for the normalized radial profiles). To match the very low brightness of the outer structure relative to the inner ring, the initial disk gas surface density profile needs to follow an exponentially tapered power law (self-similar solution), rather than a simple power-law profile.

研究の動機と目的

• HD 100546の原始惑星系円盤内に存在する可能性のある埋め込み惑星の質量と公軌道分離を制約すること。
• 観測された部分構造、特に明るさが弱い外側のリングを再現するために、1つまたは2つの惑星が必要かどうかを特定すること。
• 内側のリングと外側のリングの間の明るさ比を一致させるために必要な円盤の初期ガス面密度プロファイルを特定すること。
• 現在のALMAおよび直接撮像装置でこのような惑星を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• HD 100546の自己校正0.9 mm ALMA観測を用いて、ダスト連続スペクトルを抽出し、部分構造を同定した。
• FARGO3Dコードを用いて、異なる惑星質量と公軌道半径を想定したガスとダストの流体ダイナミクスシミュレーションを実施した。
• RADMC-3Dコードを用いて、シミュレーション出力から合成観測を生成し、ALMAに類似した観測条件を再現した。
• 画像の形状と半径方向の明るさプロファイルを分析することで、モデル出力と実際のALMAデータを比較した。
• 自己相似的で指数的に減衰するべきべき乗則の初期ガス面密度プロファイルをテストした結果、外側のリングの明るさが低いことを再現する上で不可欠であることが判明した。
• ディスクの粘性（α）や惑星質量、公軌道位置を変化させながら反復的にモデルフィッティングを行い、観測された半径方向プロファイルからのずれを最小化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたHD 100546円盤の部分構造、特に明るさが弱い外側のリングを最もよく再現する惑星の質量と公軌道半径は何か？
• RQ2 2惑星モデルが内側と外側のリングの両方を説明できるか、それとも1つの惑星で十分か？
• RQ3 内側と外側のリングの明るさ比を観測に一致させるために必要な初期円盤ガス面密度プロファイルは何か？
• RQ4 ディスクの粘性（α）は、推定された惑星質量とモデル適合度にどのように影響するか？
• RQ5 予測された惑星質量は、現在のALMAまたは直接撮像装置で検出可能か？

主な発見

• 合成観測とALMA観測との間で最も良好な一致が得られるのは、13 auに位置する内側の惑星（8 MJup）と143 auに位置する外側の惑星（3 MJup）の組合せであり、正規化された半径方向プロファイルにおけるずれは3σ未満である。
• 外側のリングが内側のリングに比べて明るさが低いことを再現するには、自己相似的で指数的に減衰するべき乗則の初期ガス面密度プロファイルが必要である。
• ディスク粘性が α = 10⁻³ の場合、外側の惑星質量は3 MJupと推定された。粘性が低い場合（α = 10⁻⁴）、質量は1.7 MJupと推定された。
• モデルは外側のリングに方位角的非対称性がないことをうまく再現しており、惑星誘発圧力トラップメカニズムを支持する。
• 推定された惑星質量は、現在のALMA検出限界（4 Myrの系では33 MJup）を下回っており、既存の機器では直接検出は困難である。
• 結果は、散乱光画像（約100 au付近のらせん腕）および分子線観測（約15 AU付近の同伴）による先行研究と整合しており、2つの巨大惑星が存在することを支持する。