[論文レビュー] Dust dissipation timescales in the intermediate and outer regions of protoplanetary disks

Hiroshi Maeshima, Takao Nakagawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 64被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、4,783個のT フラウス星のWISEおよびAKARI赤外線サーベイデータを用いたスタッキング解析を通じて、原始惑星環の中間領域（1 AU）および外縁領域（10 AU）におけるダスト散逸 timescale を推定した。星を若年（2 Myr未塔）、中年（2–6 Myr）、老齢（6 Myr超）の3グループに分類し、ダスト散逸 timescale をそれぞれ1.4±0.2 Myr（12 µm、中間領域）および1.4+0.6/−0.5 Myr（90 µm、外縁領域）として導出した。両領域における散逸 timescale がほぼ同一であることは、内側から外側へとディスクが消滅するモデルを支持する。

ABSTRACT

Dust and gas in protoplanetary disks dissipate as central stars evolve. In order to estimate the dust dissipation timescales in the protoplanetary disks, we stacked the WISE 12, 22, and the AKARI 90 $\mu$m survey images of known T Tauri stars and derived the average fluxes, well below the survey flux limit in the 90 $\mu$m band. We classified 4,783 T Tauri stars into three age groups, which are young ($<$2 Myr), mid-age (2-6 Myr), and old ($>$6 Myr) groups, and stacked the WISE 12 and 22 and the AKARI 90 $\mu$m images in each group. The photometry of the stacked image shows the flux decay timescales of 1.4$\pm$0.2, 1.38$\pm$0.05, and 1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the 12, 22, and 90 $\mu$m bands, respectively. In optically thin disks with one-solar luminosity central stars, the 12 and 22 $\mu$m fluxes are attributed to the emission from the intermediate ($\sim$ 1 au) region and the 90 $\mu$m flux corresponds to that from the outer ($\sim$ 10 au) region in the disk. We hence conclude the dust dissipation timescale is $ au_{ m med,dust}\sim$1.4 Myr in the intermediate disks and is $ au_{ m outer, dust}=$1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the outer disks. The dust-dissipation time difference between the outer and intermediate disks is $\Delta au_{ m dust} = au_{ m outer,dust} - au_{ m med,dust}=0.0^{+0.6}_{-0.5}$ Myr, indicating that the dust in the intermediate and outer disks dissipates on almost the same timescale.

研究の動機と目的

• 原始惑星環の内側および外縁領域におけるダスト散逸 timescale を、観測的に poorly constrained な状態であるが、定量的に評価すること。
• 遠赤外線サーベイの低感度を克服するため、個々のサーベイ検出限界以下の微弱で進化したディスクを検出するためにスタッキング解析を適用すること。
• 内側および外縁領域におけるダストが、内側から外側への消滅モデルが予測するように、同じ timescale で散逸するかどうかを検証すること。
• 距離および星の質量分布バイアスが導かれた散逸 timescale に与える影響を評価すること。

提案手法

• 4,783個のT フラウス星のスタックド WISE 12 µm、22 µm、および AKARI 90 µm 画像を用い、個々のサーベイ検出限界以下の平均輝度を検出する。
• 推定年齢に基づき、T フラウス星を3つの年齢グループ（若年：2 Myr未塔、中年：2–6 Myr、老齢：6 Myr超）に分類した。
• スタックド画像における画像測光を実施し、平均輝度を測定し、指数関数的減衰曲線をフィットして輝度減衰 timescale を導出する。
• 各年齢グループごとの平均距離を用いて輝度に距離補正を施し、その影響が減衰 timescale 評価に与える影響を評価した。
• 結果の堅牢性を確保するため、年齢グループ間での星の色（GBP−GRP）分布バイアスの可能性を評価した。
• 統計的解析を用いて減衰 timescale を比較し、領域間の差の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星環の内側領域（約1 AU）におけるダスト散逸 timescale は何か？
• RQ2 原始惑星環の外縁領域（約10 AU）におけるダスト散逸 timescale は何か？
• RQ3 内側領域と外縁領域におけるダスト散逸 timescale に有意な差は存在するか？
• RQ4 距離および星の質量分布バイアスは、導かれた散逸 timescale にどのように影響するか？
• RQ5 観測された輝度変化は、年齢グループ全体で指数関数的減衰モデルに整合するか？

主な発見

• 内側領域（12 µm放射）におけるダスト散逸 timescale は1.4±0.2 Myrである。
• 外縁領域（90 µm放射）におけるダスト散逸 timescale は1.4+0.6/−0.5 Myrである。
• 外縁領域と内側領域の間のダスト散逸 timescale の差異は ∆τdust = 0.0+0.6/−0.5 Myr であり、誤差範囲内で一致しており、両領域の散逸 timescale が同等であることを示している。
• 年齢グループ間の距離バイアスはほとんど影響しない。補正を施した場合、平均で約5%の減衰 timescale の短縮にとどまる。
• 星の色（GBP−GRP）分布バイアスは無視できる。平均色の差が標準誤差の3倍未満であるためである。
• 老齢グループにおける22 µmの輝度過剰は、若いデブリディスクからの二次的ダスト、または輝度変化の非指数関数的減衰の可能性によるものと考えられる。