[論文レビュー] MIRACLES: atmospheric characterization of directly imaged planets and substellar companions at 4-5 $μ$m. II. Constraints on the mass and radius of the enshrouded planet PDS 70 b

T. Stolker, Gabriel-Dominique Marleau+5 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Sep 9, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 117被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、VLT/NACOを用いてBr𝛼およびM′フィルタでPDS 70 bの初回直接検出を実施し、その光球温度（1193 ± 20 K）と半径（3.0 ± 0.2 R_J）を導出している。スペクトルエネルギー分布（SED）の黒体モデルと降着光度の推定値を組み合わせることで、惑星の質量を0.5–1.5 M_J、半径を1–2.5 R_Jの範囲に制限し、形成中であり、ほこりを含むエンvelopeを有していることと整合的である。

ABSTRACT

The circumstellar disk of PDS 70 hosts two forming planets, which are actively accreting gas from their environment. In this work, we report the first detection of PDS 70 b in the Br$α$ and $M'$ filters with VLT/NACO, a tentative detection of PDS 70 c in Br$α$, and a reanalysis of archival NACO $L'$ and SPHERE $H23$ and $K12$ imaging data. The near side of the disk is also resolved with the Br$α$ and $M'$ filters, indicating that scattered light is non-negligible at these wavelengths. The spectral energy distribution of PDS 70 b is well described by blackbody emission, for which we constrain the photospheric temperature and photospheric radius to $T_\mathrm{eff}=1193 \pm 20$ K and $R=3.0 \pm 0.2$ $R_\mathrm{J}$. The relatively low bolometric luminosity, $\log(L/L_\odot) = -3.79 \pm 0.02$, in combination with the large radius, is not compatible with standard structure models of fully convective objects. With predictions from such models, and adopting a recent estimate of the accretion rate, we derive a planetary mass and radius in the range of $M_\mathrm{p}\approx 0.5-1.5$ $M_\mathrm{J}$ and $R_\mathrm{p}\approx 1-2.5$ $R_\mathrm{J}$, independently of the age and post-formation entropy of the planet. The blackbody emission, large photospheric radius, and the discrepancy between the photospheric and planetary radius suggests that infrared observations probe an extended, dusty environment around the planet, which obscures the view on its molecular composition. Finally, we derive a rough upper limit on the temperature and radius of potential excess emission from a circumplanetary disk, $T_\mathrm{eff}\lesssim256$ K and $R\lesssim245$ $R_\mathrm{J}$, but we do find weak evidence that the current data favors a model with a single blackbody component.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤内の直接撮像された降着中惑星PDS 70 bの物理的性質を特定すること。
• 4–5 μm範囲の光度および分光法の分析により、そのスペクトル的外観の曖昧さを解消すること。
• 冷却時間の不確実性に依存しない光度測定値と降着モデルを用いて、惑星の質量と半径を制約すること。
• M′バンドにおける過剰放射の可能性を用いて、周惑星円盤（CPD）の存在と性質を評価すること。

提案手法

• VLT/NACOを用いてBr𝛼およびM′フィルタで高対比画像データを取得し、アーカイブ済みのSPHEREおよびNACOデータを再分析した。
• 1–5 μmの範囲でPDS 70 bのスペクトルエネルギー分布（SED）を構築し、単一温度の黒体モデルにフィットした。
• SEDフィットからボロメトリック光度をlog(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02として算出した。
• 孤立したガス巨大惑星の標準モデルを用いて質量–半径解を導出し、Hashimotoら（2020）の降着光度を組み込んだ。
• M′バンドにおける過剰放射の可能性を2番目の黒体成分としてモデル化し、CPDの存在を評価した。
• ベイズ的モデル比較（ベイズ因子）を用いて、2成分モデル（黒体＋CPD）が単一黒体モデルよりもデータに適合するかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4–5 μmの光度測定に基づいて、PDS 70 bの光球温度と半径はそれぞれどのように制限されるか？
• RQ2 降着光度を含めると、PDS 70 bの推定される質量と半径にどのような影響が生じるか？
• RQ3 M′バンドにおける過剰放射の証拠として、周惑星円盤（CPD）の存在が示唆されるか？
• RQ4 光球半径と惑星半径の差異が、ほこりを含む拡張したエンvelopeの存在をどの程度示唆するか？
• RQ5 導出された光度と半径は、形成中の惑星のパopulation合成モデルの予測とどのように一致するか？

主な発見

• PDS 70 bの光球温度はT_eff = 1193 ± 20 Kに、光球半径はR = 3.0 ± 0.2 R_Jに制限された。
• ボロメトリック光度はlog(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02として測定され、SEDフィットと整合的であった。
• Hashimotoら（2020）の結果に基づき降着光度を含めると、観測光度と整合する解を得られるのは最大で1.5 M_Jの質量に限られる。
• PDS 70 bの質量は0.5–1.5 M_J、物理的半径は1–2.5 R_Jに制限され、形成モデルとギャップ幅の推定値と整合的である。
• 光球半径はハイル半径よりも顕著に小さいため、気体降着流と連動して継続的に補充されるほこりを含むエンvelopeが存在すると示唆される。
• M′バンドにおける2番目の黒体成分の可能性から、CPDの上限温度はT_eff ≲ 256 K、半径はR ≲ 245 R_Jと推定されたが、ベイズ因子は単一黒体モデルを支持した。