[論文レビュー] The protoplanetary system HD 100546 in H$α$ polarized light from SPHERE/ZIMPOL. A bar-like structure across the disk gap?

I. Mendigutía, R. D. Oudmaijer+8 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Oct 31, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 84被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、VLTのSPHERE/ZIMPOLを用いて、原始惑星系円盤HD 100546の最初の高分解能偏光Hα観測を実施し、円盤のギャップを北東−南西方向に貫く20 auの棒状構造を明らかにした。この構造は、外側から内側へのほこりおよびガスの径方向流入である可能性が解釈されており、未発見の惑星に駆動される可能性がある。これは、若い惑星系における小スケールの降着過程を直接観測する稀な機会を提供する。

ABSTRACT

HD 100546 is one of the few known pre-main-sequence stars that may host a planetary system in its disk. We analyze new VLT/SPHERE/ZIMPOL polarimetric images of HD 100546 with filters in H$α$ and the adjacent continuum. We have probed the disk gap and the surface layers of the outer disk, covering a region < 500 mas (< 55 au at 109 pc) from the star, at an angular resolution of ~ 20 mas. Our data show an asymmetry: the SE and NW regions of the outer disk are more polarized than the SW and NE. This can be explained from a preferential scattering angle close to 90$^o$, consistent with previous polarization images. The outer disk extends from 13 $\pm$ 2 to 45 $\pm$ 9 au, with a position angle and inclination of 137 $\pm$ 5$^o$ and 44 $\pm$ 8$^o$. The comparison with previous estimates suggests that the disk inclination could increase with the stellocentric distance, although the different measurements are still consistent within the error bars. In addition, no direct signature of the innermost candidate companion is detected from polarimetry, confirming recent results based on intensity imagery. We set an upper limit to its mass accretion rate < 10$^{-8}$ M$_{\odot}$/yr for a sub-stellar mass of 15M$_{Jup}$. Finally, we report the first detection (> 3$σ$) of a ~ 20 au bar-like structure that crosses the gap through the central region of HD 100546. It is tentatively suggested that the bar could be dust dragged by infalling gas that radially flows from the outer disk. This could represent an exceptional case in which a small-scale radial inflow is observed in a single system. If this scenario is confirmed, it could explain the presence of atomic gas in the inner disk that would otherwise accrete on to the central star on a timescale of a few months/years, as previously indicated from spectro-interferometric data, and could be related with additional (undetected) planets.

研究の動機と目的

• 高分解能偏光を用いて、HD 100546の外側円盤およびギャップ領域の形態と偏光構造を調査すること。
• 偏光画像を用いて、内側の候補惑星HD 100546cの存在状態と降着状態を評価すること。
• 観測された非対称性および構造が、散乱幾何学的要因か、あるいは径方向流入のような動的過程によって説明可能かどうかを検討すること。
• 検出された棒状構造が、円盤の進化および惑星形成に与える意味を評価すること。

提案手法

• VLTのSPHERE/ZIMPOL機器を用いて、高空間分解能のHαおよび隣接する連続スペクトルの偏光画像を取得した。
• SPHERE/ZIMPOLパイプラインを用いたデータ還元を実施し、フラットフィールド補正、空の差し引き、偏光キャリブレーションを含んだ。
• ストークスパラメータを測定し、線形偏光度を導出し、散乱幾何学を推定した。
• 円盤表面層を13 ± 2 auから45 ± 9 auの範囲にマッピングし、位置角と傾きを決定した。
• 偏光制約を用いて、HD 100546cの降着光度および質量降着率の上限を設定した。
• 円盤ギャップ領域の形態を分析し、棒状構造の特定と特徴抽出を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD 100546の外側円盤およびギャップ領域における高角分解能での形態と偏光構造はどのようなものか？
• RQ2 内側の候補惑星HD 100546cは偏光Hα光で検出可能か？その降着特性はいかなるものか？
• RQ3 観測された棒状構造を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 円盤の傾きは恒星からの距離とともにどのように変化するか？これは円盤幾何学にどのような含意を持つのか？
• RQ5 棒状構造が外側から内側への物質の径方向流入を表している可能性はあり、その場合、降着および惑星形成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 外側円盤は13 ± 2 auから45 ± 9 auに延びており、位置角は137 ± 5°、傾きは44 ± 8°である。これは従来の推定と整合的であるが、半径が大きいほど傾きが増加する可能性を示唆している。
• 偏光において顕著な非対称性が観測され、SEおよびNW領域がSWおよびNE領域よりもより強く偏光している。これは約90°での優先的散乱と整合的である。
• 内側の候補惑星HD 100546cの直接的な偏光的シグナルは検出されず、15 MJupの亜惑星質量に対して、質量降着率の上限が< 10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹であると制限された。
• 20 auの棒状構造が、偏光Hα光において初めて検出された。この構造は、NE-SW方向に円盤ギャップを貫いており、有意水準3σ以上である。
• 棒状構造は、外側円盤から内側領域へのほこりおよびガスの径方向流入である可能性が一時的に解釈されている。未発見の惑星に駆動される可能性がある。
• 流入シナリオは、観測された高い星の降着率を説明でき、また内側円盤に原子ガスが存在する理由を説明できる可能性があるが、動力学を確認するには速度分解観測が必要である。