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

S. Vicente, B. Merín+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、VLT/NACOを用いた深紫外近赤外帯域画像法を用い、5つの遷移的円盤（DoAr 21、HD 135344B、HR 4796A、T Cha、TW Hya）の内側0.1–7弧秒圏内で、解像不能な恒星および亜恒星の伴星が存在しないことを検証した。スピークルノイズ低減およびPSF差し引きにLOCIアルゴリズムを適用することで、古典的手法に比べ0.5–1.5 magの対比感度向上を達成し、内側の空洞領域では2–5 magの対比まで、DoAr 21では76 AU以上の半径で約13 MJupまでの伴星を除外できた。これにより、内側空洞の起源は二重星の摂動ではなく、惑星形成、微粒子の成長、または光駆動蒸発のいずれかであると制限された。

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 {\mu}m. 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 5{\sigma} 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

• 主な目的は、遷移的円盤で観測された内側の光度低下空洞が、解像不能な二重星伴星によって説明可能かどうかを検証することである。
• 本研究の目的は、5つの代表的遷移的円盤の内側空洞を形成した原因として、近接した恒星または亜恒星伴星が関与している可能性を除外することにある。
• 本研究は、高対比適応光学画像法を用いて、内側円盤領域（0.1–7弧秒）における伴星の検出限界を特定することを目的としている。
• 本研究は、ギャップを形成した可能性のある伴星の質量および軌道半径の範囲を制限し、他の形成メカニズムの可能性を絞り込むことを目的としている。

提案手法

• VLT/NACO装置のS13カメラを用いて、1.75および2.12 µmの深紫外帯域画像観測を実施し、0.1–7弧秒の投影距離をカバーした。
• スピークルノイズ低減およびポイントスプレッド関数（PSF）差し引きにLOCI（局所最適化画像合成）アルゴリズムを適用し、古典的手法に比べ0.5–1.5 magの対比感度向上を達成した。
• 適応光学補正により diffraction-limited 解像度を達成し、PSF補正用の標準星を観測して正確なPSF再構築を実施した。
• 検出限界は5σ感度プロファイルから導出し、進化モデルを用いて対比限界を伴星の質量限界に変換した。
• 複数の観測エポックとフィルタを用いてダイナミックレンジを向上させ、誤検出のリスクを低減した。
• 本研究ではNACOデータに加え、アーカイブデータおよびスペクトルエネルギー分布（SED）モデリングを統合し、二重星伴星の妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解像不能な二重星伴星が、遷移的円盤で観測された内側空洞を説明できるか？
• RQ2 これらの円盤の内側空洞／ギャップ領域で除外できる最小の伴星質量は何か？
• RQ3 NACO観測は、明るい領域の形成原因としての恒星または亜恒星伴星をどの程度まで除外できるか？
• RQ4 検出限界は、惑星形成または光駆動蒸発メカニズムの理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 観測は、内側円盤領域で惑星質量域の伴星が存在しないことをどの程度まで除外できるか？

主な発見

• VLT/NACO観測により、5つの遷移的円盤すべてにおいて、主星の0.1弧秒以内に解像不能な伴星が存在しないことが除外され、内側領域の対比感度限界は2.2–4.9 magであった。
• 外側円盤領域では、対比感度限界が7.7–9.3 magに達し、T Chaでは4.7 magの限界となった。
• 観測により、0.11 M⊙を超える恒星伴星は約5.5 AU（0.1弧秒）まで、褐色矮星質量の伴星は約7 AU（0.13弧秒）まで、惑星質量の伴星は約13 AU（0.24弧秒）まで除外された。
• DoAr 21では、76 AU以上の半径で13 MJup未満の伴星が検出可能であり、0.63弧秒の距離で、本サンプルで唯一、このような低質量天体を検出可能な感度を有していた。
• 結果として、DoAr 21およびHR 4796Aの内側空洞は、二重星による潮汐的遮断によって生じたものではなく、巨大惑星形成、効率的な微粒子成長、または光駆動蒸発といった代替メカニズムによる可能性が高いと支持された。
• 本研究は、NACO画像法が、観測範囲（0.1–7.0弧秒）全域における亜恒星伴星を検出可能であり、特にTW Hyaの年齢が再評価された若い年齢推定値を踏まえると、10 AU以上（0.18弧秒以上）の距離で惑星質量天体を検出可能であることを確認した。