[論文レビュー] Resolved Images of Large Cavities in Protoplanetary Transition Disks

Sean M. Andrews, David J. Wilner+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、12個の原始惑星系円盤の高分解能Submillimeter Array (SMA)観測を報告し、中心部に大規模なダスト欠損キャビティ（15–73 AU）を直接解像した。放射線輸送モデルを用いた分析により、これらのキャビティは質量の大きな円盤（ミリメートル波で明るい円盤の20％以上）に一般的に見られ、光子蒸発および粒子成長モデルに反するが、広い軌道上に存在する見えない低質量の伴星（ガス惑星や褐色矮星など）による動的クリアランスを支持する。

ABSTRACT

Circumstellar disks are thought to experience a rapid "transition" phase in their evolution that can have a considerable impact on the formation and early development of planetary systems. We present new and archival high angular resolution (0.3" = 40-75 AU) Submillimeter Array (SMA) observations of the 880 micron dust continuum emission from 12 such transition disks in nearby star-forming regions. In each case, we directly resolve a dust-depleted disk cavity around the central star. Using radiative transfer calculations, we interpret these dust disk structures in a homogeneous, parametric model framework by reproducing their SMA visibilities and SEDs. The cavities in these disks are large (R_cav = 15-73 AU) and substantially depleted of small (~um-sized) dust grains, although their mass contents are still uncertain. The structures of the remnant material at larger radii are comparable to normal disks. We demonstrate that these large cavities are common among the millimeter-bright disk population, comprising at least 20% of the disks in the bright half of the millimeter luminosity (disk mass) distribution. Utilizing these results, we assess some of the physical mechanisms proposed to account for transition disk structures. As has been shown before, photoevaporation models do not produce the large cavity sizes, accretion rates, and disk masses representative of this sample. It would be difficult to achieve a sufficient decrease of the dust optical depths in these cavities by particle growth alone: substantial growth (to meter sizes or beyond) must occur in large (tens of AU) regions of low turbulence without also producing an abundance of small particles. Given those challenges, we suggest instead that the observations are most commensurate with dynamical clearing due to tidal interactions with low-mass companions --young brown dwarfs or giant planets on long-period orbits.

研究の動機と目的

• 高角分解能のサブミリ波長観測を用いて、原始惑星系円盤内のダストキャビティ構造を直接像として得るとともに、その特徴を特定すること。
• ミリメートル波で明るい円盤の中での大規模キャビティの出現頻度を特定し、円盤進化および惑星形成におけるその役割を評価すること。
• 光子蒸発、粒子成長、動的クリアランスの3つの競合する物理的メカニズムを、観測されたキャビティサイズ、質量、ダスト欠損と照らし合わせて評価すること。
• 連続スペクトルの visibility およびスペクトルエネルギー分布（SED）の放射線輸送モデリングを用いて、キャビティの外側に残存する円盤物質の物理的性質を制約すること。
• 観測されたキャビティ構造が、円盤分散および惑星形成の理論的モデルと整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 近隣の星形成領域に存在する12個の遷移円盤に対して、高角分解能（0.3" ≈ 40–75 AU）の880 μm ダスト連続スペクトルをSubmillimeter Array (SMA) を用いて取得した。
• 新規およびアーカイブ済みのSMAデータを統合し、バンドパス、フラックス、位相安定性のためのクェーサーや惑星を用いたキャリブレーションを実施し、システム誤差を約10％に抑えた。
• 2次元モンテカルロ放射線輸送モデリングを適用し、観測されたSMA可視度振幅およびスペクトルエネルギー分布（SED）を再現した。
• ビームサイズが0.26"～0.82"、ノイズレベルが0.9～3.8 mJy/beamの合成画像を用いて、キャビティ構造の検出および定量的評価を実施した。
• 長基線観測対象（例：GM Aur、LkHα 330）に対して、エポック間の適切な運動補正を実施し、正確な画像整合性を確保した。
• 光子蒸発、粒子成長、および伴星誘発の潮汐相互作用による動的クリアランスの理論的モデルと照らし合わせ、観測されたキャビティ特性の整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能サブミリ波長画像によって、どのようにして遷移円盤内のダスト欠損キャビティのサイズと形状が特定されたか？
• RQ2 最も質量の大きな（ミリメートル波で明るい）原始惑星系円盤において、大規模キャビティ（R_cav > 15 AU）はどの程度一般的に存在するか？
• RQ3 光子蒸発モデルは、本サンプルの観測されたキャビティサイズ、ダスト欠損、および円盤質量を再現できるか？
• RQ4 粒子成長のみで、キャビティ領域の観測されたダスト欠損をどの程度説明できるか？
• RQ5 低質量の伴星（例：ガス惑星や褐色矮星）による動的クリアランスが、観測されたキャビティ構造のより妥当な説明であると考えられるか？

主な発見

• 本研究では、0.3"分解能のSMA観測（880 μm）を用いて、12個の遷移円盤の中心部にダスト欠損キャビティ（半径15～73 AU）を直接解像した。
• キャビティ領域は、微小な（μmサイズの）ダスト粒子が著しく欠損しているが、感度の制限により全質量は不確かである。
• 質量の最も大きな（ミリメートル波で最も明るい）円盤の少なくとも20％（上位四分位数では26％）が、このような大規模キャビティを示しており、質量の大きな円盤において一般的に見られることが示された。
• 光子蒸発モデルは、観測されたキャビティサイズ、降着率、および円盤質量を再現できず、主なメカニズムとして排除された。
• 粒子成長のみでは、小さな粒子の過剰な蓄積を伴うため、観測されたダスト欠損を説明するには不十分であり、他のメカニズムの存在が要求される。
• データは、長期間の軌道上に存在する低質量の伴星（例：ガス惑星や褐色矮星）による潮汐相互作用による動的クリアランスと最も整合が良く、大規模な領域を効率的にクリアしつつも、微小なダストを残さない。