[論文レビュー] Multiple gaps with large grain deficit in the protoplanetary disk around TW Hya

Takashi Tsukagoshi, Hideko Nomura+8 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

高分解能ALMA観測により、TW Hya原始惑星系円盤の6、22、28、37、44 auに複数の溝が検出された。特に目立つ22 auの溝では、表面密度の低下に伴い、赤外線指数β ≈ 1.7の増大が観測され、mmサイズの粒子が不足している可能性を示唆している。これは、惑星に起因する粉塵フィルター効果によるものと考えられる。円盤構造は、低質量惑星（≤1.5 Neptune質量）に起因する内側の空洞と溝、または揮発性物質の焼結による粉塵処理によって説明できる。弱い正弦波的構造は、動的不安定性を示唆している。

ABSTRACT

We report $\sim$3 au resolution imaging observations of the protoplanetary disk around TW Hya at 138 and 230 GHz with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Our observations revealed two deep gaps ($\sim$25--50 %) at 22 and 37 au and shallower gaps (a few %) at 6, 28, and 44 au, as recently reported by Andrews et al. (2016). The central hole with a radius of $\sim3$ au was also marginally resolved. The most remarkable finding is that the power-law index of the dust opacity $\beta$, derived from the spectral index $\alpha$ between bands 4 and 6, peaks at the 22 au gap with $\beta\sim1.7$ and decreases toward the disk center to $\beta\sim0$. Our model fitting suggests that the overall disk structure can be reproduced with the inner hole and the gaps at 22 and 37 au. The most prominent gap at 22~au could be caused by the gravitational interaction between the disk and an unseen planet with a mass of $\lesssim$1.5 $M_\mathrm{Neptune}$ although other origins may be possible. The planet-induced gap is supported by the fact that $\beta$ is enhanced at the 22 au gap, indicating a deficit of $\sim$mm-sized grains within the gap due to dust filtration by a planet. Alternatively, the destruction of large dust aggregates due to the sintering of major volatiles might cause the multiple ring structure. We also find weak sinusoidal patterns with wavelengths of 5--10 au, which may be related to dynamical instabilities within the disk.

研究の動機と目的

• 高分解能ミリ波画像を用いて、TW Hya原始惑星系円盤に見られる複数の溝の起源を調査すること。
• 特に22 auで観測されたβ ≈ 1.7の粉塵透過率指数のピークが、隠れた惑星に起因する粉塵フィルターを示唆するかを特定すること。
• リング構造の代替説明として、揮発性物質を含む凝集体の焼結による粉塵処理を検討すること。
• 円盤表面輝度に見られる弱い正弦波的パターンの存在とその起源を調査すること。

提案手法

• アタカマ大型ミリ波/サブミリ波干渉計（ALMA）を用いて、138 GHzおよび230 GHz帯で3 au解像度の画像を取得した。
• バンド4とバンド6間のスペクトル指数αを測定し、円盤全体の粉塵透過率のべき乗則指数βを導出した。
• 観測された輝度プロファイルを再現するために、内側の空洞と複数の溝を含む物理的円盤モデルをフィットさせた。
• βの空間的変動を分析し、粒子サイズ分布と粉塵進化プロセスを推定した。
• 5–10 auの波長を持つ弱い正弦波的変調を輝度プロファイルから同定した。
• 観測されたリング構造の背後にあるメカニズムとして、惑星に起因する溝と粉塵焼結の両者を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TW Hya円盤に顕著な22 auの溝が存在する原因は何か。低質量惑星による重力的摂動と整合的か。
• RQ2 22 auの溝で粉塵透過率指数βが≈1.7に増大する理由は何か。これは局所的な粒子サイズ分布にどのような意味を持つか。
• RQ3 観測された複数の溝とリング構造は、揮発性物質を含む凝集体の焼結といった粉塵進化プロセスで説明可能か。
• RQ4 円盤に観測された5–10 auの波長を持つ弱い正弦波的輝度パターンの起源は何か。
• RQ5 内側の空洞と3つの主要な溝（22、37、28 au）を含む円盤モデルが、ALMA観測をどの程度よく再現できるか。

主な発見

• 22 auと37 auに、粉塵表面密度が25–50%低下する2つの深い溝が検出され、6、28、44 auに浅い溝が確認された。
• 22 auの溝で粉塵透過率指数βが≈1.7にピークに達し、中心に向かって低下してβ ≈ 0にまで低下しており、mmサイズの粒子が著しく欠落していることを示している。
• 観測された円盤構造は、半径約3 auの内側の空洞と22 auおよび37 auの溝を含むモデルで最もよく再現された。
• 22 auでのβの増大は、質量≤1.5 Neptune質量の惑星による粉塵フィルター効果の仮説を支持している。
• 5–10 auの波長を持つ弱い正弦波的輝度変調は、円盤内に動的不安定性が存在することを示唆している。
• 揮発性物質の昇華に起因する大粒径粉塵凝集体の焼結といった代替説明も、観測されたリング構造に寄与している可能性がある。