[論文レビュー] Ruling out unresolved binaries in five transitional disks VLT/NACO: deep 2.12 and 1.75 μm narrow-band imaging

S. Vicente, B. Merín+9 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 15, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 94被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、VLT/NACOを用いた深さのある近赤外窄波長画像法を用い、5つの移行的ディスクにおいて中心星から0.1角秒以内で分解不能な連星同伴を除外した。内側の穴・ギャップ領域では対比限界が2–5 magに達し、外側領域では最大9.3 magに達した。結果として、多くのシステムでは内側の空洞が主に星または亜星の同伴によるものではないと示され、惑星形成や粒子成長といった代替機構が支持された。

ABSTRACT

Aims. We aim at detecting the presence of companions inside the inner hole/gap region of a sample of five well known transitional disks using spatially-resolved imaging in the near-IR with the VLT/NACO/S13 camera, which probes projected distances from the primary of typically 0.1 to 7 arcsec. The sample includes the stars DoAr 21, HD 135344B (SAO 206462), HR 4796A, T Cha, and TW Hya, spanning ages of less than 1 to 10 Myr, spectral types of A0 to K7, and hole/gap outer radii of 4 to 100 AU. Methods. In order to enhance the contrast and to avoid saturation at the core of the point-spread function (PSF), we use narrow-band filters at 1.75 and 2.12 μm. The "locally optimized combination of images" (LOCI) algorithm is applied for an optimal speckle noise removal and PSF subtraction, providing an increase of 0.5-1.5 mag in contrast over the classic method. Results. With the proviso that we could have missed companions owing to unfavorable projections, the VLT/NACO observations rule out the presence of unresolved companions down to an inner radius of about 0".1 from the primary in all five transitional disks and with a detection limit of 2 to 5 mag in contrast. In the disk outer regions the detection limits typically reach 8 to 9 mag in contrast and 4.7 mag for T Cha. Hence, the NACO images resolve part of the inner hole/gap region of all disks with the exception of TW Hya, for which the inner hole is only 4 AU. The 5σ sensitivity profiles, together with a selected evolutionary model, allow to discard stellar companions within the inner hole/gap region of T Cha, and down to the substellar regime for HD 135344B and HR 4796A. DoAr 21 is the only object from the sample of five disks for which the NACO images are sensitive enough for a detection of objects less massive than \sim 13 MJup that is, potential giant planets or low-mass brown dwarfs at radii larger than \sim 76 AU (0".63).

研究の動機と目的

• 移行的ディスクで観測された内側の光度低下空洞が、分解不能な連星同伴によって説明可能かどうかを検証すること。
• 近接した連星による潮汐的截断が、原始惑星系円盤内のダストギャップを形成する可能性があるかを調査すること。
• 5つのよく研究された移行的ディスクの内側の穴・ギャップ領域における、潜在的同伴の質量および軌道半径を制約すること。
• 高対比画像法における高度なスペーキルノイズ低減技術を適用することで、低質量同伴への感度を向上させること。
• 連星同伴が除外された場合に、惑星形成、粒子成長、または光駆動蒸発といった代替機構が、空洞形成に有効であるかどうかを評価すること。

提案手法

• VLTのNACO装置を用いて、1.75 μmおよび2.12 μmでの深さのある窄帯画像を取得し、点像関数（PSF）の中心部での飽和を回避するとともに対比を向上させた。
• 局所最適化画像合成法（LOCI）を適用してスペーキルノイズを抑制し、PSF差分法の性能を向上させ、従来手法に比べて0.5–1.5 magの対比向上を達成した。
• 類似した観測条件で観測されたPSFキャリブレータを用いて、星のPSFをモデル化・差分し、主星近くの微弱な同伴の検出を可能にした。
• 観測された対比限界に基づいて5σ感度プロファイルを計算し、進化モデルと組み合わせて、さまざまな距離における最小検出可能質量を推定した。
• ディスクの異なる領域における検出限界を評価し、内側の穴・ギャップ領域（0.1–1.5角秒）と外側ディスク領域（1角秒を超える領域）を区別した。
• 最新の星のパラメータ（例：TW Hyaの年齢の更新とM2.5スペクトル型）を組み込み、亜星および惑星質量天体の質量感度推定値を精緻化した。

Figure 1: LOCI optimization grid for a full width at half-maximum (FWHM) of 6 pixels overlaid on the 1.75 $\mu$ m PSF-subtracted image of HD 135344B (09-05-2007). The frame is 512 $\times$ 512 data pixels (13.27 mas/pixel) and the diameter of the inner circle is $\sim$ 52 pixels. The FWHM input used

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分解不能な連星同伴が、移行的ディスクで観測された内側の穴やギャップを説明できるか？
• RQ2 各移行的ディスクの内側空洞内では、最小でどのくらいの質量の同伴が除外可能か？
• RQ3 VLT/NACO画像法の感度は、星、褐色矮星、または惑星質量の同伴がディスク領域に存在するのをどの程度制限するか？
• RQ4 画像観測結果によって、連星による潮汐的截断がディスク空洞の原因である可能性はどの程度除外されるか？
• RQ5 更新された星のパラメータ（例：年齢やスペクトル型）は、ディスク内での低質量同伴の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• VLT/NACO観測では、5つの移行的ディスクすべてにおいて、主星から0.1角秒以内に分解不能な同伴が存在しないことを除外した。内側領域の検出限界は対比で2.2–4.9 magであった。
• 外側ディスク領域（1角秒を超える領域）では、検出限界が対比で7.7–9.3 magに達し、T Chaでは対比で4.7 magに達した。
• 星質量同伴は、約5.5 AU（0.1角秒）を超える距離では0.11 M⊙を超える質量では存在しないことが除外された。また、褐色矮星質量の同伴は7 AU（0.13角秒）を超える距離で除外された。
• 惑星質量の同伴（約7 M_Jupまで）は、約13 AU（0.24角秒）を超える距離で除外され、87 AU以降では対比が8 magにまで達する感度を有した。
• DoAr 21では、76 AU（0.63角秒）を超える半径で、13 M_Jup未満の同伴が検出可能であり、巨大惑星や低質量褐色矮星の検出が可能となった。
• 結果として、特にDoAr 21およびHR 4796Aにおいては、連星同伴が主因ではないと示され、巨大惑星形成、効率的な粒子成長、または光駆動蒸発といった代替機構が空洞形成に寄与している可能性が支持された。

Figure 2: High-contrast residual images after PSF removal with the LOCI algorithm for both filters NB_1.75 and NB_2.12. Each panel is a $3\aas@@fstack{\prime\prime}3\times 3\aas@@fstack{\prime\prime}3$ sub-image centered on the target star. The bottom set of panels is a zoom-in of the inner $1^{\pri