[論文レビュー] Near-infrared scattered light properties of the HR4796A dust ring: a measured scattering phase function from 13.6deg to 166.6deg

J. Milli, A. Vigan+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 41

ひとこと要約

本研究は、13.6°から166.6°の範囲で、HR 4796 Aのダスト輪の近赤外線散乱位相関数の最初の高精度測定を報告し、30°未塔の強い前向散乱ピークを明らかにした。データは、ダスト粒子がおそらく~20 µmの大きな凝集体である可能性を示しており、散乱光の形状とスペクトルエネルギー分布を整合させるとともに、この系内での惑星伴星の存在に対するこれまでで最も厳しい制約を与えた。

ABSTRACT

HR4796A is surrounded by a debris disc, observed in scattered light as an inclined ring. Past observations raised several questions. First, a strong brightness asymmetry detected in polarized reflected light recently challenged our understanding of scattering by the dust particles in this system. Secondly, the morphology of the ring strongly suggests the presence of planets, although no planets have been detected to date. We obtained high-angular resolution coronagraphic images of the circumstellar environment around HR4796A with VLT/SPHERE during the commissioning of the instrument in May 2014 and during guaranteed-time observations in February 2015. The observations reveal for the first time the entire ring of dust, including the semi-minor axis that was previously hidden either behind the coronagraphic spot or in the speckle noise. We determine empirically the scattering phase function of the dust in the H band from 13.6deg to 166.6deg. It shows a prominent peak of forward scattering, never detected before, for scattering angles below 30deg. We analyse the reflectance spectra of the disc from the 0.95 to 1.6 microns, confirming the red colour of the dust, and derive detection limits on the presence of planetary mass objects. We confirm which side of the disc is inclined towards the Earth. The analysis of the phase function suggests that the dust population is dominated by particles much larger than the observation wavelength, of about 20 microns. Compact Mie grains of this size are incompatible with the spectral energy distribution of the disc, however the observed rise in scattering efficiency beyond 50deg points towards aggregates which could reconcile both observables. We do not detect companions orbiting the star but our high-contrast observations provide the most stringent constraints yet on the presence of planets responsible for the morphology of the dust.

研究の動機と目的

• 高精度な散乱光におけるHR 4796 Aのダスト輪の形態と光度を測定すること。
• Hバンドにおけるダストの散乱位相関数（SPF）およびスペクトル反射率を導出すること。
• 高コントラスト画像法を用いて、惑星質量天体の存在を制約すること。
• 観測された散乱および熱放射を再現するダスト粒子の物理的性質を調査すること。
• ガスまたは惑星の摂動が輪の離心率および明確な端縁を説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 2014年5月のコンmissioning期間中のVLT/SPHEREを用いた高空間分解能のコロラグラフィック画像を取得した。
• 高度なスペックロスノイズ抑制法を用いて、従来見えなかった半短軸部分を含む、輪全体の散乱光強度を測定した。
• 散乱角に応じた強度変化を分析し、13.6°から166.6°の範囲で散乱位相関数を構築した。
• 分解能50で0.95 µmから1.6 µmの波長範囲における反射スペクトルを導出し、ダストの赤みを確認した。
• IFSおよびIRDIS機器からの高コントラスト検出限界を適用し、0.2″まで惑星伴星の存在を制約した。
• 観測されたSPFおよびSEDをMie散乱および離散双極子散乱（DHS）モデルと比較し、粒子の性質を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HR 4796 Aのダスト輪の真の散乱位相関数は、全散乱角範囲でどのように振る舞うか？
• RQ2 観測されたSPFおよびスペクトルエネルギー分布を再現するダスト粒子の物理的性質（サイズ、形状）は何か？
• RQ3 ダスト輪内またはその近傍に惑星伴星が存在する可能性に対する、最も厳しい制約は何か？
• RQ4 偏光を含まない光における明確な明るさの非対称性は、光学的厚さがわずかに厚い輪を仮定せずに、偏光光観測と整合させられるか？
• RQ5 観測された輪の形態は、惑星の摂動または原始的ガスによる励起と整合するか？

主な発見

• 散乱位相関数は30°未塔に顕著な前向散乱ピークを示し、この系ではこれまでに観測されたことがない特徴である。
• 位相関数は二つの明確な領域を示す：45°まで強い前向散乱と、45°以降の散乱効率の滑らかな増加で、後方散乱が支配的であることを示している。
• 観測された位相関数は、~20 µmのコンパクトなMieまたはDHS粒子とは整合せず、同程度のサイズの大きな多孔質凝集体と整合する。
• ダストの反射スペクトルは赤みを示し、0.95 µmから1.35 µmの間には検出可能な吸収特徴が認められず、以前のHST観測を確認した。
• 系内では同伴星は検出されなかったが、検出限界は0.2″で32–5 MJupまで向上し、輪の半長径内に2 MJupを超える惑星が存在しないことを除外した。
• ガス対ダスト比は≤0.2に制限され、原始的ガスが輪の離心率および明確な端縁の起源である可能性を排除した。