[論文レビュー] Two Rings and a Marginally Resolved, 5 AU, Disk Around LkCa 15 Identified Via Near Infrared Sparse Aperture Masking Interferometry

Dori Blakely, Logan Francis+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、VLT/SPHERE-IRDISを用いた近赤外線スパarsed aperture masking (SAM)干渉計測法を用い、遷移円盤LkCa 15を分析し、拡張した円盤構造をモデル化することで、惑星検出限界を向上させた。17 auおよび45 au付近に2つの非対称なリングを強く検出するとともに、5 auのFWHMを持つわずかに解像された内側円盤を検出したが、惑星の明確な証拠は得られず、50 au以降の近赤外線対比限界を1000以上に引き上げた。

ABSTRACT

Sparse aperture masking interferometry (SAM) is a high resolution observing technique that allows for imaging at and beyond a telescope's diffraction limit. The technique is ideal for searching for stellar companions at small separations from their host star; however, previous analysis of SAM observations of young stars surrounded by dusty disks have had difficulties disentangling planet and extended disk emission. We analyse VLT/SPHERE-IRDIS SAM observations of the transition disk LkCa\,15, model the extended disk emission, probe for planets at small separations, and improve contrast limits for planets. We fit geometrical models directly to the interferometric observables and recover previously observed extended disk emission. We use dynamic nested sampling to estimate uncertainties on our model parameters and to calculate evidences to perform model comparison. We compare our extended disk emission models against point source models to robustly conclude that the system is dominated by extended emission within 50 au. We report detections of two previously observed asymmetric rings at $\sim$17 au and $\sim$45 au. The peak brightness location of each model ring is consistent with the previous observations. We also, for the first time with imaging, robustly recover an elliptical Gaussian inner disk, previously inferred via SED fitting. This inner disk has a FWHM of ~5 au and a similar inclination and orientation as the outer rings. Finally, we recover no clear evidence for candidate planets. By modelling the extended disk emission, we are able to place a lower limit on the near infrared companion contrast of at least 1000.

研究の動機と目的

• LkCa 15の高解像度近赤外線観測において、拡張した円盤発光と惑星候補との区別を明確にする。
• スパースアパーチャーマスデータにおける拡張円盤構造のモデル化と差し引きを施すことで、惑星検出の対比限界を向上させる。
• 以前に報告された惑星候補（LkCa 15 b,c,d）が、点源ではなく円盤発光によって説明可能かどうかを検証する。
• 干渉計測観測量へのベイズ的モデルフィッティングを用いて、内側円盤構造を信頼性高く特徴付ける。
• 遷移円盤において惑星を探索する前に拡張発光をモデル化することがいかに重要であるかを示す。

提案手法

• 2.1および2.3 µmにおけるVLT/SPHERE-IRDISデータにスパースアパーチャーマス（SAM）干渉計測法を適用し、二乗 visibilities とクロージャー位相を主観測量として用いた。
• 動的ネストドサンプリングを用いて、幾何学的モデル（2つのリング、1つの傾いたガウス型円盤、および点源）を干渉計測データに直接フィットさせ、パラメータ推定とモデル比較を実施した。
• van Cittert–Zernike定理を用いて、観測された複素可視度と画像平面における輝度分布との関係を定式化した。
• 大気的および機器的位相誤差を低減するためクロージャー位相解析を採用し、モデルフィッティングの信頼性を向上させた。
• モデル比較のためのベイズ的証拠（log-evidence）を計算し、純粋な点源モデルよりも拡張円盤成分を含むモデルが優位であることを示した。
• 干渉計測データの低減およびモデルフィッティングにAMICALソフトウェアパッケージを用い、事後分布はコーナープロットおよび周辺尤度を用いて分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LkCa 15における拡張円盤発光は、干渉計測観測量を用いて信頼性高くモデル化可能であり、かつ過去の惑星検出を説明できるか？
• RQ2 近赤外線SAM観測によって明らかにされたLkCa 15の内側円盤（5–50 au）の空間的構造は何か？
• RQ3 拡張円盤発光を補正した後、LkCa 15の内側50 auにおける惑星同伴の対比限界は何か？
• RQ4 円盤構造をモデル化した後も、以前に報告された惑星候補（LkCa 15 b,c,d）は妥当なままであるか、それともリング構造によってよりよく説明できるか？
• RQ5 円盤構造をモデル化することにより、SAMを用いた遷移円盤における惑星検出の信頼性はどのように変化するか？

主な発見

• 17 auおよび45 au付近に2つの非対称なリングが強く検出され、ピーク輝度位置は以前の直接撮像結果と整合的である。
• FWHMが5 au（160 pcの距離で120 masに相当）のわずかに解像されたコンパクトな内側円盤が検出され、以前のSEDに基づく推定を裏付けた。
• 内側円盤は星からわずかにオフセットしており、外側のリングと同一の傾きおよび位置角を持つため、共通の構造的起源を示唆している。
• 拡張円盤発光をモデル化した際、惑星同伴の明確な証拠は得られなかった。最良の適合モデルでも、惑星の存在に乏しい証拠と極めて高い対比要件が示された。
• 50 au以内の近赤外線対比限界は1000以上に制限され、以前の限界と比較して3倍の改善が達成された。
• ベイズ的証拠によるモデル比較では、点源のみを含むモデルよりも、リング＋ガウス型円盤を含むモデルが強く支持され、50 au以内の全フラックスの大部分が円盤発光によって支配されていることが示された。