[論文レビュー] Evidence for a massive dust-trapping vortex connected to spirals

P. Cazzoletti, E. F. van Dishoeck+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、HD 135344B原始惑星系円盤の高分解能ALMA観測を行い、ミリメートル波長域で巨大で非対称なダスト渦の存在を特定した。この渦は波長依存の方位方向のシフトと大粒の増加によって確認され、おそらく微惑星工場として機能し、散乱光で観測されたらせん腕を駆動している可能性があり、外側の惑星が存在する必要がないことを示唆している。

ABSTRACT

Context. Spiral arms, rings and large scale asymmetries are structures observed in high resolution observations of protoplanetary disks, and it appears that some of the disks showing spiral arms in scattered light also show asymmetries in millimeter-sized dust. HD 135344B is one such disk. Planets are invoked as the origin of these structures, but no planet has been observed so far and upper limits are becoming more stringent with time. Aims. We want to investigate the nature of the asymmetric structure in the HD 135344B disk in order to understand the origin of the spirals and of the asymmetry seen in this disk. Ultimately, we aim to understand whether or not one or more planets are needed to explain such structures. Methods. We present new ALMA sub-0.1′′ resolution observations at optically thin wavelengths (λ = 2.8 and 1.9 mm) of the HD 135344B disk. The high spatial resolution allows us to unambiguously characterize the mm-dust morphology of the disk. The low optical depth of continuum emission probes the bulk of the dust content of the vortex. Moreover, we have combined the new observations with archival data at shorter wavelengths to perform a multi-wavelength analysis and to obtain information about the dust distribution and properties inside the observed asymmetry. Results. We resolve the asymmetric disk into a symmetric ring + asymmetric crescent, and observe that (1) the spectral index strongly decreases at the centre of the vortex, consistent with the presence of large grains; (2) for the first time, an azimuthal shift of the peak of the vortex with wavelength is observed; (3) the azimuthal width of the vortex decreases at longer wavelengths, as expected for dust traps. These features allow confirming the nature of the asymmetry as a vortex. Finally, under the assumption of optically thin emission, a lower limit to the total mass of the vortex is 0.3 M Jupiter . Considering the uncertainties involved in this estimate, it is possible that the actual mass of the vortex is higher and possibly within the required values (~4 M Jupiter ) to launch spiral arms similar to those observed in scattered light. If this is the case, then explaining the morphology does not require an outer planet.

研究の動機と目的

• HD 135344B原始惑星系円盤におけるらせん腕およびダスト非対称性の起源を調査する。
• 観測された非対称性が渦によるものか、惑星に起因する構造かを特定する。
• 渦が散乱光で観測されたらせんの形態を説明できるかを評価する。
• ダスト質量および渦の物理的性質を推定し、その微惑星形成における役割を評価する。
• 多波長連続スペクトル解析を用いて、円盤構造解釈のデゲネラシーを解消する。

提案手法

• サブ0.1′′解像度の新規ALMAバンド3（2.8 mm）およびバンド4（1.9 mm）観測を実施し、ダスト形態を解像する。
• アーカイブ済みのALMAバンド7（343 GHz）およびバンド9データと組み合わせ、多波長解析を実施する。
• uv平面データを、対称的内側リングと外側の非対称で共半径の月牙形（渦）成分にモデル化する。
• 波長依存の形態を定量化するため、径方向および方位方向に二重ガウス分布をフィットする。
• 円盤全体でスペクトル指数αを計算し、粒子サイズ分布および光学的厚さを推定する。
• 光学的薄い仮定を用いて、ガス対ダスト比が10であると仮定し、渦質量の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD 135344Bにおける非対称なミリ波ダスト放射は、渦によるものか、惑星に起因する構造か、どちらがより適切な説明か？
• RQ2 ピーク放射位置の波長依存シフトは、渦におけるダスト捕集によって説明可能か？
• RQ3 ダスト渦の質量は何か？また、これは円盤内の密度波を駆動するのに十分か？
• RQ4 放射の方位方向幅はどのように波長に依存するか？これは粒子サイズおよび捕集の性質に何を示唆するか？
• RQ5 渦が単独で散乱光で観測されたらせん腕を説明できるか？外側の惑星が不要であることを示唆できるか？

主な発見

• 非対称構造は、対称的内側リングと外側の共半径の月牙形（渦）成分に最もよくモデル化され、ダスト捕集渦の存在が確認された。
• 渦内部ではスペクトル指数αが約2に低下し、cmサイズの大粒が存在することを示しており、ダスト捕集と整合的である。
• 本研究では、波長にわたるピーク放射位置の単調な方位方向シフトが、初めて観測された。これはケプラーロータリの運動とは不一致であり、渦内での粒子サイズ依存の捕集と整合的である。
• 長波長（2.8 mm）での放射は短波長（1.9 mm）よりも方位方向に集中しており、大粒がガスに対して結合されにくいため、ダスト捕集モデルの予測を確認した。
• 光学的薄い仮定のもとで、渦の質量下限は0.3 M_Jupiterであったが、ダスト放射がわずかに光学的に厚い場合、最大で約1.7 M_Jupiterに達する可能性があり、らせん腕を駆動するのに必要な質量に近い。
• 円盤総ダスト質量のおよそ半分が渦に捕獲されており、微惑星形成の主要な場所であると考えられ、外側の惑星を必要としない観測された非対称性の説明が可能である。