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

T. Stolker, Gabriel-Dominique Marleau+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 119被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、VLT/NACOを用いた4–5 µm範囲でのPDS 70 bの初の直接検出を報告し、黒体フィッティングにより、表面温度1193 ± 20 Kおよび半径3.0 ± 0.2 RJを導出している。大きな半径と低い全波長放射度（log(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02）は、惑星がほこりで覆われた拡張した環境に包まれていることを示唆し、冷却時間や形成後のエントロピーに依存しない、質量と半径の制約（Mp ≈ 0.5–1.5 MJ、Rp ≈ 1–2.5 RJ）を、降着放射度の効果によって得た。

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$\alpha$ and $M'$ filters with VLT/NACO, a tentative detection of PDS 70 c in Br$\alpha$, 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$\alpha$ 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

• 中赤外線の光度測定を用いて、直接撮像された降着する系外惑星PDS 70 bの質量と半径を制約すること。
• 4–5 µmにおける観測されたスペクトル放射度分布（SED）が単一の黒体に一致するか、あるいは環惑星ディスクなどの追加成分を必要とするかを特定すること。
• 冷却時間や形成後のエントロピーに不安定な要因がなく、降着放射度の影響が惑星の半径および質量の推定に与える影響を評価すること。
• 表面温度半径が惑星半径よりも著しく大きい物理的起源を調査し、ほこりで覆われた遮蔽環境を示唆すること。

提案手法

• 4–5 µmにおけるPDS 70 bの検出を目的に、BrαおよびM′フィルタを用いた新しいVLT/NACO観測を取得した。
• 1〜5 µmの完全なSEDを構築するために、アーカイブ済みのNACO L′およびSPHERE H23/K12データを再分析した。
• 表面温度と半径を導出するために、SEDに単一の黒体モデルをフィットした。
• 孤立したガス惑星の標準的構造モデルを用いて、降着放射度（Hashimoto et al. (2020) の推定値を含む）を組み込んだ質量–半径解を導出した。
• 環惑星ディスクの放射をモデル化するために第二の黒体成分を導入し、ベイズ因子を用いてモデルの優位性を評価した。
• 導出された表面温度半径とハイル球半径を比較し、原始惑星系ディスクからのほこりの補充の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4–5 µmの光度測定から制約されるPDS 70 bの表面温度と半径は何か？
• RQ2 観測されたSEDは単一の黒体で最もよく説明されるか、それとも環惑星ディスクのような第二の成分を必要とするか？
• RQ3 冷却時間やエントロピーに依存せず、降着放射度を考慮した場合、PDS 70 bの質量と半径の制約は何か？
• RQ4 表面温度半径が惑星半径よりも著しく大きい理由は何か？これは惑星の環境に何を示唆するか？
• RQ5 観測された放射度はほこりによる減光や散乱の影響をどれほど受けており、これが放射度推定値にどのように影響するか？

主な発見

• PDS 70 bの表面温度は1193 ± 20 K、表面温度半径は3.0 ± 0.2 RJに制約され、黒体スペクトルと整合的である。
• 全波長放射度はlog(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02と測定され、その半径と比較して相対的に低い。
• 降着放射度を含めた場合、観測された放射度を再現できるのは最大で1.5 MJの惑星質量に限られ、結果として質量制約はMp ≈ 0.5–1.5 MJとなった。
• 惑星半径はRp ≈ 1–2.5 RJに制約され、集団合成モデルとギャップ幅の推定と整合的である。
• 表面温度半径（3.0 RJ）と惑星半径（1–2.5 RJ）の差異は、PDS 70 bが放射線を再処理するほこりで覆われた拡張した環境に包まれていることを示唆している。
• 表面温度半径はハイル球の内部に位置しており、ガス降着流に伴い原始惑星系ディスクから持続的なほこりの補充が行われている可能性を示している。