[論文レビュー] Disk evolution in the solar neighborhood. I Disk frequencies from 1 to 100 Myr

Álvaro Ribas, B. Merín+2 more|Dec 2, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、太陽系近辺の22の近接 association に属する2,340個の分光学的に確認された若い星（1–100 Myr）のミッド赤外線過剰放射を分析し、原始惑星系円盤の進化を追跡する。均一なSEDフィッティングを用いて、波長に応じた円盤崩壊 timescale が延びることが判明した—22–24 μmでは4.2–5.8 Myr、3.4–12 μmでは2–3 Myr—これは外側の円盤ダストの進化が遅いことを示し、原始的円盤は10–20 Myrの間に消失し、同時に進化した円盤（中間的・デブリ円盤）の割合が上昇する。これは惑星形成が円盤の空洞化を引き起こすことに合致する。

ABSTRACT

We study the evolution of circumstellar disks in 22 young (1 to 100 Myr) nearby (within 500 pc) associations over the entire mass spectrum using photometry covering from the optical to the mid-infrared. We compiled a catalog of 2340 spectroscopically-confirmed members of these nearby associations. We analyzed their spectral energy distributions and searched for excess related to the presence of protoplanetary disks in a homogeneous way. Sensitivity limits and spatial completeness were also considered. We derive disk fractions as probed by mid-infrared excess in these regions. The unprecedented size of our sample allows us to confirm the timescale of disk decay reported in the literature and to find new trends. The fraction of excess sources increases systematically if measured at longer wavelengths. Disk percentages derived using different wavelength ranges should therefore be compared with caution. The dust probed at 22-24 um evolves slower than that probed at shorter wavelengths (3.4-12 um). Assuming an exponential decay, we derive a timescale tau=4.2-5.8 Myr at 22-24 um for primordial disks, compared to 2-3 Myr at shorter wavelength (3.4-12 um). Primordial disks disappear around 10 Myr, matching in time a brief increase of the number of 'evolved' disks. The increase in timescale of excess decay at longer wavelength is compatible with inside-out disk clearing scenarios. The increased timescale of decay and larger dispersion in the distribution of disk fractions at 22-24 um suggest that the inner and outer zones evolve differently, the latter potentially following a variety of evolutionary paths. The drop of primordial disks and the coincident rise of evolved disks at 10 Myr are compatible with planet formation theories suggesting that the disappearance of the gas is immediately followed by the dynamical stirring of the disk.

研究の動機と目的

• 1–100 Myrの広い年齢範囲にわたる太陽系近辺の原始惑星系円盤の進化を、大規模で均一なサンプルを用いて調査すること。
• 過去の研究で小規模サンプルによる不一致が生じた原因を解消し、年齢、波長、星の質量に応じた円盤割合の変化を特定すること。
• 円盤の散逸 timescale と原始的円盤から進化した円盤（中間的・デブリ円盤）への遷移を評価すること。
• 内側と外側の円盤領域への感受性の違いを考慮し、波長が円盤割合測定に与える影響を評価すること。
• ガスの散逸と残存物質の動的攪拌を関連付ける惑星形成理論の予測を検証すること。

提案手法

• 500 pc圏内の22の近接 association（13の星形成領域、9つの若い連星）に属する2,340個の分光学的に確認された若い星のカタログを収集した。
• 複数の調査（例：SDSS、DENIS、UKIDSS、WISE、Spitzer、Herschel）から、可視光（Vバンド）からミッド赤外線（22–24 μm）までの光度データを統合し、SED構築に用いた。
• 均一なスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを実施し、原始惑星系円盤に起因する赤外線過剰を特定した。
• すべての領域で一貫した基準を用いて円盤過剰を定義し、感度限界と空間的完全性を考慮した。
• 異なる波長範囲（3.4–12 μm と 22–24 μm）における過剰を用いて円盤割合を計算し、指数関数的崩壊モデルを適用した。
• SEDの形態と年齢トレンドに基づき、円盤を「原始的」（ガスを有する）、「中間的」、または「デブリ」と分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–100 Myrの年齢範囲にわたる近接 association において、円盤割合はどのように年齢とともに変化するか？
• RQ2 3.4–12 μm と 22–24 μm などの異なる波長で測定された円盤割合に系統的な差が生じる理由は何か？これは円盤構造に何を示唆するか？
• RQ3 短波長と比較して、長波長での円盤過剰の特徴的な崩壊 timescale はどの程度か？
• RQ4 原始的円盤から進化した円盤への遷移はいつ起こり、惑星形成の始動と相関するか？
• RQ5 観測された円盤進化の傾向は、内側から空洞化するモデルと惑星形成モデルの予測とどのように一致するか？

主な発見

• 円盤割合は長波長観測で増加しており、これは長波長過剰がより広がった、より長寿命な円盤成分をプローブしていることを示している。
• 22–24 μm における円盤過剰の崩壊 timescale は4.2–5.8 Myrであり、短い波長（3.4–12 μm）の2–3 Myrと比べて顕著に長い。
• 原始的円盤は10–20 Myrの間に消失し、同時に進化した円盤（中間的・デブリ円盤）の数が一時的に増加する。
• 22–24 μm における円盤割合の分布は、短い波長と比較して年齢とともにより大きな分散を示しており、外側の円盤領域の進化がより多様である可能性を示唆する。
• 長時間スケールと長波長での分散の増加は、内側から空洞化するシナリオを支持しており、内側の円盤が最初に散逸することを示している。
• 原始的円盤と進化した円盤の割合の逆相関は、惑星形成が円盤の空洞化を引き起こし、その後残存物質の動的攪拌を引き起こすという仮説を支持する。