[論文レビュー] Structuring the HD 141569 A circumstellar dust disk. Impact of eccentric bound stellar companions

J.‐C. Augereau, J. C. B. Papaloizou|ArXiv.org|Oct 25, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 31被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、HD 141569 Aの惑星周囲ほこり円盤の非対称構造——らせん腕、広いギャップ、拡張した発光——が、巨大な内側の惑星ではなく、遠く離れた離心率の高い連星系による長期間の重力的摂動によって生じると提案する。数値シミュレーションの結果、離心率 0.7–0.9、近日点距離 ≈ 930 AU の束縛された伴星が、観測された円盤の形状とほこりの赤みを再現し、短命でサブブロークアウトサイズのほこり粒子の高頻度な衝突活動と整合する粒子サイズ分布を示唆している。

ABSTRACT

Scattered light images of the optically thin dust disk around the 5 Myr old star HD141569 have revealed its complex asymmetric structure. We show in this paper that the surface density inferred from the observations presents similarities with that expected from a circumprimary disk within a highly eccentric binary system. We assume that either the two M stars in the close vicinity of HD141569 are bound companions or at least one of them is an isolated binary companion. We discuss the resulting interaction with an initially axisymmetric disk. This scenario accounts for the formation of a spiral structure, a wide gap in the disk and a broad faint extension outside the truncation radius of the disk after 10-15 orbital periods with no need for massive companion(s) in the midst of the disk resolved in scattered light. The simulations match the observations and the star age if the perturber is on an elliptic orbit with a periastron distance of 930 AU and an eccentricity from 0.7 to 0.9. We find that the numerical results can be reasonably well reproduced using an analytical approach proposed to explain the formation of a spiral structure by secular perturbation of a circumprimary disk by an external bound companion. We also interpret the redness of the disk in the visible reported by Clampin et al.(2003) and show that short-lived grains one order of magnitude smaller than the blow-out size limit are abundant in the disk. The most probable reason for this is that the disk sustains high collisional activity. Finally we conclude that additional processes are required to clear out the disk inside 150 AU and that interactions with planetary companions possibly coupled with the remnant gas disk are likely candidates.

研究の動機と目的

• 散乱光で観測されたHD 141569 Aの惑星周囲ほこり円盤の複雑な非対称構造を説明すること。
• 遠く離れた束縛された星の伴星による重力的摂動が、内側の巨大惑星を仮定せずとも、円盤のらせん腕、ギャップ、拡張した発光を説明できるかどうかを調査すること。
• 可視光における円盤の赤みを解釈し、特に短命な小さな粒子の存在に制限を加えるために、粒子サイズ分布を制約すること。
• 150 AU以内での追加の掃除機構の必要性を評価し、惑星の伴星や残留ガス円盤の力学的相互作用が果たす可能性を示唆すること。

提案手法

• 遠く離れた離心率の高い連星伴星が束縛軌道にある惑星系円盤と相互作用する数値流体力学的シミュレーション。
• 外部の伴星が円盤の表面密度とらせん構造形成に及ぼす長期的重力的影響をモデル化するための長期間摂動理論の使用。
• 高い離心率を持つ外部伴星によるスパイラル密度波励起の解析的モデルの適用。
• 観測された可視光および近赤外散乱光を解釈するための放射線輸送モデリング、粒子散乱効率とサイズ依存アルベドの含む。
• レイノルズ近似と有効媒質理論（Maxwell-Garnett）を用いて、多孔質粒子のための有効誘電率を用いて、最小粒子サイズの下限を導出。
• 多孔質効果を有効誘電率を介して組み込み、粒子サイズパラメータと散乱特性を調整。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたらせん構造と広いギャップが、遠く離れた離心率の高い星の伴星による長期間摂動によって説明可能か？
• RQ2 10–15周期にわたる観測された円盤形状を再現するには、束縛された伴星の軌道パラメータ（離心率、近日点距離）はどの程度必要か？
• RQ3 なぜ円盤は可視光で赤く見えるのか？これは粒子サイズ分布と寿命にどのような意味を持つのか？
• RQ4 なぜ150 AU以内でほこりの明るさが急激に低下しているのか？このほこり欠損を説明するにはどのような追加プロセスが必要か？
• RQ5 多孔質性は、レイノルズ領域における推定最小粒子サイズと散乱特性にどのように影響するか？

主な発見

• 近日点距離 ≈930 AU、離心率 0.7–0.9 の束縛された星の伴星が、10–15周期にわたるシミュレーションで観測されたらせん構造、広いギャップ、拡張した発光をうまく再現した。
• シミュレーションは、表面輝度の非対称性（最大2.5–3倍のコントラスト）と半径方向構造——200 AUと325 AUに位置する2つの主な輪とその間の暗いギャップ——を再現した。
• 可視光における円盤の赤みは、ブロー・アウトサイズ制限よりも1桁小さい粒子の高頻度な存在と整合し、円盤内での強い衝突活動を示唆している。
• 粒子サイズ解析により、観測と整合する最小粒子サイズは、レイノルズ領域における散乱効率によって制限されており、多孔質性が有効サイズパラメータを低下させ、散乱特性を変化させることを示した。
• 解析的長期間摂動モデルは数値結果とよく一致し、らせん腕形成の物理的メカニズムを確認した。
• 150 AU以内のほこり欠損は、連星伴星の影響だけでは説明できず、惑星の伴星との相互作用や残留ガス円盤の力学的相互作用といった追加の掃除機構が必要であると示唆された。