[論文レビュー] Dust Processing and Mineralogy in Protoplanetary Accretion Disks

Thomas Henning, G. Meeus|ArXiv.org|Nov 5, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

本論文は原始惑星系円盤におけるダストの処理および鉱物学を調査し、粒子の組成、サイズ、構造に注目している。赤外分光法とモデル化を用いて、粒子の成長および結晶性スルファイドの証拠を特定し、熱処理、放射線、凝集の結果としてダストの性質が進化することを示している。ISO、スパイトル、VLTIの観測から重要な知見が得られている。

ABSTRACT

We discuss the different dust components of a protoplanetary disk with a special emphasis on grain composition, size and structure. The paper will highlight the role dust grains play in protoplanetary disks, as well as observational results supporting this knowledge. First, the path dust travels from the interstellar medium into the CS disk is described. Then dust condensation sequences from the gas are introduced, to determine the most likely species that occur in a disk. The characteristics of silicates are handled in detail: composition, lattice structure, magnesium to iron ratio and spectral features. The other main dust-forming component of the interstellar medium, carbon, is presented in its many forms, from molecules to more complex grains. Observational evidence for PAHs is given for both young stars and solar system material. We show how light scattering theory and laboratory data can be used to provide the optical properties of dust grains. From the observer's point of view, we discuss how infrared spectra can be used to derive dust properties, and present the main spectral analysis methods currently used and their limitations. Observational results, determining the dust properties in protoplanetary disks, are given: first for the bright intermediate-mass Herbig Ae/Be stars, and then for the lower-mass Tauri stars and brown dwarfs. Here we present results from the space observatories ISO and Spitzer, as well as from the mid-infrared interferometer VLTI, and summarise the main findings. We discuss observational evidence for grain growth in both Herbig Ae/Be and T Tauri stars, and its relation with spectral type and dust settling. We conclude with an outlook on future space missions that will open new windows, towards longer wavelengths and even fainter objects.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤におけるダストの組成、サイズ、構造の進化を、宇宙間媒体（ISM）由来の観点から理解すること。
• 熱的アニール、放射線、凝集などの物理的・化学的プロセスがダストの性質に与える影響を特定すること。
• 観測された赤外分光特徴を、特定のダスト種、粒子サイズ、構造状態（非晶質対結晶性）に関連付けること。
• ダストが円盤物理学に果たす役割、すなわち光学厚さ、イオン化、化学反応に与える影響を評価し、惑星形成への影響を検討すること。
• 現在の観測的および実験的データの限界を特定し、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）およびヘーシェル宇宙望遠鏡の今後のミッションに向けた指針を示すこと。

提案手法

• ISOおよびスパイトルからの赤外分光法を分析し、ダストの鉱物学的性質および粒子特性を導出すること。
• 光の散乱理論と実験的に測定された光学定数を用いて、ダスト粒子の光学的性質をモデル化すること。
• スペクトルエネルギー分布（SED）解析とβ = α − 2の関係を用い、ミリ波長域のSED勾配から粒子サイズを推定すること。
• 中赤外域の長基線干渉計測定（VLTI）を用いて、円盤内の径方向構造およびダスト沈降を調査すること。
• 観測されたダスト特徴を、オリビン、パイラーゾライトなどのケイ酸塩理論モデル、炭素質ダスト、および氷と比較すること。
• Pollackら（1994）のダストモデルを基準として、耐火性粒子の組成および光学厚さの計算に用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤内のダストの組成および構造は、ISM由来の前駆体からどのように進化するか？
• RQ2 ヘービッグAe/Be星およびTタウリ星の周囲円盤において、粒子の成長および結晶化を支持する観測的証拠は何か？
• RQ3 ダストの性質（サイズ、結晶性、組成）は、星の光度、円盤のフラーリング、年齢とどのように相関するか？
• RQ4 放射場および化学的プロセスが、円盤内の異なる領域でダストの鉱物学をどの程度変化させるか？
• RQ5 現在の観測的および実験的データの限界は、原始惑星系円盤内のダスト特徴の解釈においてどのような影響を及えるか？

主な発見

• 原始惑星系円盤内のダストは、ISMダストをはるかに超える処理の兆候を示しており、粒子サイズが大きく、結晶性ケイ酸塩が存在することが判明している。
• ミリ波長域で観測されたスペクトル指数β ≤ 1（HAEBEおよびTタウリ星の円盤で観測）は、ミリメートルサイズの粒子が存在することを示しており、粒子の成長の証拠である。
• スパイトルおよびISOからの赤外分光法では、多様なダスト特徴が観測され、それらは限定された数のダスト種がサイズや構造の違いを示すことで説明可能である。
• 結晶性ケイ酸塩は、ヘービッグAe/Be星およびTタウリ星の周囲円盤で検出されており、内側円盤領域での熱処理の証拠である。
• 粒子サイズと年齢や星の温度との単純な相関関係が見られないことから、複数の円盤パラメータが複雑に相互作用していることが示唆される。
• ヘーシェルおよびジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）などの今後のミッションにより、遠赤外域特徴（例：69 µmにおけるファーストロライト）および褐色矮星の周囲ダストの高感度研究が可能となり、ダスト処理研究のパラメータ空間が拡張される。