[論文レビュー] Resolving the cold debris disc around a planet-hosting star . PACS photometric imaging observations of q<SUP>1</SUP> Eridani (HD 10647, HR 506)

R. Liseau, C. Eiroa+33 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 14被引用数 31

ひとこと要約

Herschel PACS赤外線フィルタ画像を用いて、この研究では、q1 Eriの惑星を有する恒星の冷たいデブリ惑星環を、初めて遠赤外線波長で分解能をもって解明した。その結果、約85 AUの距離に40 AU幅の狭い環が存在することが判明し、表面密度分布は環状構造と整合的である。この環は、太陽系のエッジワース＝カイパー帯の最初の観測された類縁体であり、未検出の惑星q1 Eri cの存在を示唆している。

ABSTRACT

Context. About two dozen exo-solar debris systems have been spatially resolved. These debris discs commonly display a variety of structural features such as clumps, rings, belts, excentric distributions and spiral patterns. In most cases, these features are believed to be formed, shaped and maintained by the dynamical influence of planets orbiting the host stars. In very few cases has the presence of the dynamically important planet(s) been inferred from direct observation. Aims. The solar-type star q(1) Eri is known to be surrounded by debris, extended on scales of less than or similar to 30 ''. The star is also known to host at least one planet, albeit on an orbit far too small to make it responsible for structures at distances of tens to hundreds of AU. The aim of the present investigation is twofold: to determine the optical and material properties of the debris and to infer the spatial distribution of the dust, which may hint at the presence of additional planets. Methods. The Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) aboard the Herschel Space Observatory allows imaging observations in the far infrared at unprecedented resolution, i.e. at better than 6 '' to 12 '' over the wavelength range of 60 mu m to 210 mu m. Together with the results from ground-based observations, these spatially resolved data can be modelled to determine the nature of the debris and its evolution more reliably than what would be possible from unresolved data alone. Results. For the first time has the q(1) Eri disc been resolved at far infrared wavelengths. The PACS observations at 70 mu m, 100 mu m and 160 mu m reveal an oval image showing a disc-like structure in all bands, the size of which increases with wavelength. Assuming a circular shape yields the inclination of its equatorial plane with respect to that of the sky, i > 53 degrees. The results of image de-convolution indicate that i likely is larger than 63 degrees, where 90 degrees corresponds to an edge-on disc. Conclusions. The observed emission is thermal and optically thin. The resolved data are consistent with debris at temperatures below 30 K at radii larger than 120 AU. From image de-convolution, we find that q(1) Eri is surrounded by an about 40 AU wide ring at the radial distance of similar to 85 AU. This is the first real Edgeworth-Kuiper Belt analogue ever observed.

研究の動機と目的

• q1 Eri、惑星を有する恒星のデブリ惑星環の光学的および物質的性質を特定すること。
• 空間分解された遠赤外線データを用いて、惑星環内のダストの空間的分布を推定すること。
• 観測された惑星環構造が、未検出の惑星による動的彫刻と整合的かどうかを検証すること。
• 惑星環を太陽系のエッジワース＝カイパー帯の類縁体として特徴づけること。
• 高感度・高分解能のPACS観測を用いて、惑星環の物理的性質に関する制約を強化すること。

提案手法

• Herschel宇宙望遠鏡におけるPACSフィルタ画像観測（70 µm、100 µm、160 µm）、それぞれの角分解能は6′′、7′′、11.5′′。
• 信号対雑音比を最適化し、延長源画像のストリピングを低減するため、チョップ・ノードおよびスキャンマップ観測モードを用いた。
• PSFをα Booから得た最大エントロピー法（MEM）を用いた画像のデコンボリューションにより、構造的詳細を強化した。
• デコンボリューションの前に、100 µmスキャンマップから星の光球フラックス（100 µmで8 mJy）を差し引いて、惑星環の放射を分離した。
• 主軸および小軸に沿った表面輝度プロファイルのモデリングにより、傾き、半径方向の広がり、表面密度分布を推定した。
• 観測された放射度と理論的モデル（単一温度黒体放射およびリング・ベルト複合モデル）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 q1 Eriの周囲の冷たいデブリ惑星環は、遠赤外線波長でどのように空間的構造を持ち、半径方向にどの程度広がっているか？
• RQ2 観測された惑星環の形状は環状構造と整合的か？その物理的パラメータは何か？
• RQ3 画像のデコンボリューション技術により、惑星環内に狭いリングやベルトのような構造が明らかになるか？
• RQ4 惑星環の構造は、既知の惑星q1 Eri bより外側に存在する追加の未検出惑星の存在を示唆するか？
• RQ5 惑星環の熱放射は、冷たく拡張したデブリ惑星環のモデルとどのように比較されるか？

主な発見

• q1 Eriのデブリ惑星環は、70 µm、100 µm、160 µmで解像され、輝度分布が楕円形をしており、波長が長くなるに従いサイズが増大している。
• 惑星環は、約40 AUの幅の狭いリングまたはベルトとして最もよく記述され、星からの中心距離は約85 AUに位置している。
• 画像のデコンボリューションにより、約2%の深さの中央部の低下と、広がったプラトーが確認され、滑らかな惑星環ではなく環状構造と整合的である。
• デコンボリューション画像からの制約により、惑星環の傾きはi > 63°であると判明し、最良適合モデルではi ≈ 70°と推定された。これは、光学的散乱光から推定される縁面幾何と整合的である。
• 120 AU以上の半径において、ダスト温度は30 K未満であり、冷たく外側に位置するデブリ惑星環を示している。
• 観測された惑星環構造は、太陽系のエッジワース＝カイパー帯の最初の直接的類縁体であり、より内側に位置する未検出の惑星q1 Eri cの存在を示唆している。