[論文レビュー] Photoevaporation and close encounters: how the environment around Cygnus OB2 affects the evolution of protoplanetary disks

M. G. Guarcello, J. J. Drake+11 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、巨大星団Cygnus OB2の過酷な環境が、光分解と近接接近によって原始惑星円盤の散逸をどのように促進するかを調査する。空間的に解像された円盤割合の測定値を、局所的なUV放射と星の密度と関連付けることで、O星から0.5 pc以内では遠紫外線（FUV）放射が円盤の侵食を支配していることが判明した。一方、極端紫外線（EUV）放射は、星団全体にわたり広範な円盤の喪失を引き起こしており、間隙物質による遮蔽が円盤割合の滑らかな減少を説明している。近接接近による円盤破壊は無視できるほど小さく、影響を受ける円盤は≤1%にとどまる。これは、光分解が支配的なフィードバック機構であることを確認する。

ABSTRACT

In our Galaxy, star formation occurs in a variety of environments, with a large fraction of stars formed in clusters hosting massive stars. OB stars have an important feedback on the evolution of protoplanetary disks around nearby young stars and likely on the process of planet formation occurring in them. The nearby massive association Cygnus OB2 is an outstanding laboratory to study this feedback. It is the closest massive association to our Sun, and hosts hundreds of massive stars and thousands of low mass members. In this paper, we analyze the spatial variation of the disk fraction in Cygnus OB2 and we study its correlation with the local values of Far and Extreme ultraviolet radiation fields and the local stellar surface density. We present definitive evidence that disks are more rapidly dissipated in the regions of the association characterized by intense local UV field and large stellar density. In particular, the FUV radiation dominates disks dissipation timescales in the proximity (i.e. within 0.5 pc) of the O stars. In the rest of the association, EUV photons potentially induce a significant mass loss from the irradiated disks across the entire association, but the efficiency of this process is reduced at increasing distances from the massive stars due to absorption by the intervening intracluster material. We find that disk dissipation due to close stellar encounters is negligible in Cygnus OB2, and likely to have affected 1% or fewer of the stellar population. Disk dissipation is instead dominated by photoevaporation. We also compare our results to what has been found in other young clusters with different massive populations, concluding that massive associations like Cygnus OB2 are potentially hostile to protoplanetary disks, but that the environments where disks can safely evolve in planetary systems are likely quite common in our Galaxy.

研究の動機と目的

• 巨大星団（Cygnus OB2など）における環境フィードバックが、原始惑星円盤の進化および散逸 timescale に与える影響を理解すること。
• 密度の高い巨大星団における、光分解（FUVおよびEUV）と近接星間接近の、円盤侵食への相対的寄与を特定すること。
• Cygnus OB2における円盤割合の空間的変動が、観測バイアスや内部の星形成駆動要因ではなく、環境要因によるものかどうかを評価すること。
• 他の若い星団と比較してCygnus OB2における円盤生存率を評価し、銀河内での円盤安全環境の広がりを推測すること。

提案手法

• 空間的解像度を有する円盤割合の測定は、Chandra Cygnus OB2 Legacy Surveyから得られ、円盤を有するか否かの集団メンバーを同定した。
• 局所的な遠紫外線（FUV）および極端紫外線（EUV）放射場は、O型星への近接度に基づき、星族合成モデルを用いて推定された。
• 空間的ビンごとの星の表面密度を計算し、動的接近による円盤破壊の役割を評価した。
• 円盤割合と局所環境パラメータ（UV放射、星の密度）との相関を統計的に検証し、投影効果や感度の非一様性を除外した。
• 光分解モデルを適用して、FUVおよびEUV放射照射下での円盤侵食のタイムスケールを推定した。この際、中間物質による遮蔽を組み込んだ。
• 近接星間接近の寄与は、接近率推定値と円盤破壊断面積を用いて定量化され、観測領域では無視できるほど小さいことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cygnus OB2における円盤割合の空間的低下を引き起こす支配的環境メカニズムは何か？
• RQ2 巨大星からのFUVおよびEUV放射場が、星団内の異なる領域における原始惑星円盤散逸のタイムスケールにどのように影響を与えるか？
• RQ3 近接星間接近はCygnus OB2における円盤侵食にどの程度寄与しており、光分解と比較して有意義な影響を及ぼすか？
• RQ4 遮蔽物質（例：密度の高い雲成分）の存在が、Cygnus OB2における円盤の観測分布にどのように影響するか？
• RQ5 Cygnus OB2のような巨大星団は一般に円盤進化に対して敵対的であるが、円盤が惑星形成に十分な時間生存できる領域は存在するのか？

主な発見

• Cygnus OB2における円盤割合は、低UV環境では約40%から、高UV・高密度環境では約18%へ滑らかに低下しており、強い環境依存性が示された。
• O星から約0.5 pc以内では、遠紫外線（FUV）放射が円盤侵食を支配しており、巨大星に近づくほど光分解タイムスケールが著しく短縮される。
• 極端紫外線（EUV）放射は、星団全体にわたり円盤質量損失を引き起こすのに十分な強度であるが、中間物質による吸収のため距離が増すと効率が低下する。
• 観測された円盤割合の滑らかな低下は、中間物質による遮蔽と一致しており、EUV光子が吸収され、遠方でのイオン化が減少している。
• 近接星間接近による円盤破壊は無視できるほど小さく、高密度領域では影響を受ける円盤は≤1%にとどまり、動的破壊は主要なメカニズムではないとされた。
• 過酷な環境にもかかわらず、外縁部および希薄なクラスタでは顕著な割合の円盤が生存しており、銀河内での円盤安全環境が一般的であることが示唆された。