[論文レビュー] Location and sizes of forsterite grains in protoplanetary disks: interpretation from the Herschel DIGIT programme

K. M. Maaskant, B. L. de Vries+5 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 16, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 51被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Herschel DIGITプログラムのデータを用いて原始惑星系円盤内のファイロスチルの発光をモデル化し、69 µmの特徴の幅と23/69 µmの放射率比が粒子のサイズと温度を制約することを明らかにした。HD 141569およびOph IRS 48では、冷たい鉄を多く含む小さな粒子よりも、大きな（≥10 µm）ファイロスチル粒子が好まられる。これは、進化した円盤における効率の悪い径方向混合と粒子成長を示している。

ABSTRACT

The spectra of protoplanetary disks contain mid- and far- infrared emission features produced by forsterite dust grains. The spectral features contain information about the forsterite temperature, chemical composition and grain size. We aim to characterize how the 23 and 69 micron features can be used to constrain the physical locations of forsterite in disks. We check for consistency between two independent forsterite temperature measurements: the 23/69 feature strength ratio and the shape of the 69 micron band. We performed radiative transfer modeling to study the effect of disk properties to the forsterite spectral features. Temperature-dependent forsterite opacities were considered in self-consistent models to compute forsterite emission from protoplanetary disks. Modelling grids are presented to study the effects of grain size, disk gaps, radial mixing and optical depth to the forsterite features. Independent temperature estimates derived from the 23/69 feature strength ratio and the 69 micron band shape are most inconsistent for HD141569 and Oph IRS 48. A case study of the disk of HD141569 shows two solutions to fit the forsterite spectrum. A model with T ~ 40 K, iron-rich (~0-1 % Fe) and 1 micron forsterite grains, and a model with warmer (T ~ 100 K), iron-free, and larger (10 micron) grains. We find that for disks with low upper limits of the 69 micron feature (most notably in flat, self-shadowed disks), the forsterite must be hot, and thus close to the star. We find no correlation between disk gaps and the presence or absence of forsterite features. We argue that the 69 micron feature of the evolved transitional disks HD141569 and Oph IRS 48 is most likely a tracer of larger (i.e. ~10 micron) forsterite grains.

研究の動機と目的

• 中・遠赤外域のスペクトル的特徴を用いて、原始惑星系円盤内のファイロスチルの物理的位置と粒子サイズを特定すること。
• 23/69 µmの放射率比と69 µm特徴の形状という、二つの独立した温度指標の整合性を検証すること。
• 円盤のギャップ、径方向混合、光学的厚さがファイロスチル発光特徴に与える影響を調査すること。
• HD 141569やOph IRS 48のような進化したトランジション円盤における温度推定値の不一致を解消すること。
• 極端な系における広帯域の69 µm特徴を説明する要因として、粒子サイズか鉄含有量のどちらが適切かを特定すること。

提案手法

• 温度依存のファイロスチル吸収率を組み込んだ、自己一貫性のある円盤構造を用いた放射線輸送モデル。
• 円盤の性質、特に径方向混合、ギャップ、光学的厚さの影響をスペクトル的特徴に与える影響をモデル化。
• 23/69 µmの放射率比を温度指標として用い、その整合性を69 µmバンドの形状と照合。
• 粒子サイズ、鉄含有量、温度といったパラメータの探索をグリッドベースで行い、円盤領域全体のパラメータ空間を調査。
• 実験室で得られたファイロスチル吸収率を、粒子サイズと鉄分率に敏感に適用し、観測されたスペクトルを再現。
• 観測された発光特徴に適合させるために、複数のモデル設定を用いてHD 141569を事例研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤における観測された23 µmおよび69 µm発光特徴と整合するファイロスチルの物理的位置と粒子サイズは何か？
• RQ2 進化したトランジション円盤において、23/69 µmの放射率比から得られる温度推定値と69 µmバンドの形状から得られる温度推定値はどの程度整合しているか？
• RQ3 円盤のギャップの有無が、ファイロスチル特徴の検出または欠如に相関するか？
• RQ4 HD 141569およびOph IRS 48における広帯域の69 µm特徴は、大きな粒子か鉄を多く含む組成によって説明できるか？
• RQ5 23 µm特徴が69 µm特徴に対して弱いという事実が、粒子サイズと温度にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 平坦で自己遮蔽を持つ円盤（グループII）では、69 µm特徴からファイロスチルが内側数AUに存在することが示され、径方向混合が非効率であることが示唆された。
• 69 µm特徴が弱いミリメートル波長の輝度を示す円盤で強くなることから、円盤の進化に伴い、冷たい外側領域でファイロスチルの生成や輸送が促進されている可能性がある。
• HD 141569およびOph IRS 48では、23/69 µmの放射率比と69 µmバンドの形状から得られる温度推定値が整合せず、代替的説明の必要性を示唆した。
• HD 141569およびOph IRS 48における広帯域の69 µm特徴は、鉄を多く含む組成よりも、10 µmを超えるファイロスチル粒子によって最もよく説明された。
• HD 141569に対して二つの妥当なモデルが得られた：一つは冷たい（40 K）、鉄を多く含む（0–1% Fe）、1 µmの粒子を仮定するモデル、もう一つはより温かい（100 K）、鉄を含まない、10 µmの粒子を仮定するモデル。
• より大きな（≥10 µm）ファイロスチル粒子を仮定するモデルが、冷たい鉄を多く含む粒子の分布と輸送に関する非現実的な仮定を避けるため、より物理的に妥当であると考えられた。