[논문 리뷰] A likely planet-induced gap in the disk around T Cha

Nathanial P. Hendler, Paola Pinilla외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 3

한 줄 요약

고해상도 ALMA 3 mm 관측은 T Cha 원행 星원반디스크에서 1.2 M_Jup의 행성으로 인해 18–28 au의-dust 갭이 형성되고 있으며, 밀리미터 크기의 입자가 마이크론 크기의 입자보다 별에서 더 멀리 떨어져 있음을 보여준다. 파장에 따라 달라지는 고리 위치와 갭 너비는 행성-디스크 상호작용을 시사하며, 단일의 거대한 행성보다는 다수의 저질량 행성이 더 가능성 있다.

ABSTRACT

We present high resolution ($0.11" imes0.06"$) 3mm ALMA observations of the highly inclined transition disk around the star T Cha. Our continuum image reveals multiple dust structures: an inner disk, a spatially resolved dust gap, and an outer ring. When fitting sky-brightness models to the real component of the 3mm visibilities, we infer that the inner emission is compact ($\le1$au in radius), the gap width is between 18-28 au, and the emission from the outer ring peaks at $\sim36$ au. We compare our ALMA image with previously published 1.6$μ$m VLT/SPHERE imagery. This comparison reveals that the location of the outer ring is wavelength dependent. More specifically, the peak emission of the 3mm ring is at a larger radial distance than that of the 1.6$μ$m ring, suggesting that millimeter-sized grains in the outer disk are located further away from the central star than micron-sized grains. We discuss different scenarios to explain our findings, including dead zones, star-driven photoevaporation, and planet-disk interactions. We find that the most likely origin of the dust gap is from an embedded planet, and estimate --- for a single planet scenario --- that T Cha's gap is carved by a $1.2M_{jup}$ planet.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ALMA 3 mm 연속 스펙트럼 관측을 통해 T Cha의 전이 디스크에서 발생한 먼지 갭의 기원을 규명하는 것.
• 밀리미터 파장과 가까운 적외선(1.6 µm) 복사 구조를 비교하여 입자 크기 분리 및 반경 방향 분포의 차이를 조사하는 것.
• 갭이 행성-디스크 상호작용, 광화학적 증발, 또는 다른 메커니즘에 의해 유도되었는지 평가하는 것.
• 관측된 갭 너비와 반경 구조에 부합하는 임베디드 행성의 질량과 수를 제약하는 것.
• 행성 유도 압력 최대점과 먼지 포획 이론 모델과의 일치 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• T Cha의 디스크에 대해 고각해상도(0.11″ × 0.06″) 3 mm ALMA 연속 스펙트럼 관측을 확보하였다.
• 실수부 3 mm 복사 함수에 천체 밝기 모델을 피팅하여 내부 디스크, 갭, 외부 고리의 공간적 구조를 유도하였다.
• ALMA 3 mm 자료를 고해상도 VLT/SPHERE 1.6 µm 산란빛 이미지와 비교하여 복사 피크의 파장 의존적 반경 위치를 분석하였다.
• 2차원 유체역학적 및 먼지 진화 모델(de Juan Ovelar 등 2013)을 사용하여 NIR 고리 반경과 mm 피크 반경의 비율을 통해 행성 질량을 추정하였다.
• -gap 크기, 수축률, 반경 구조를 바탕으로 행성-디스크 상호작용, 항성 주도 광화학적 증발, 사망 영역 등 경쟁 메커니즘을 평가하였다.
• 단일 행성 갭에 대한 이론적 예측과 관측된 갭 너비를 비교하여 단일 행성 대 다중 행성의 가능성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T Cha 디스크의 먼지 갭 기원은 무엇인가: 행성-디스크 상호작용, 광화학적 증발, 또는 다른 과정인가?
• RQ2 왜 외부 고리의 3 mm 복사 피크가 1.6 µm보다 더 큰 반경 거리에 위치해 있으며, 이는 입자 크기 분포에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 단일 행성 시나리오를 가정할 때 관측된 갭을 형성하는 데 필요한 최소 행성 질량은 얼마인가?
• RQ4 관측된 갭 너비는 단일 행성에 의해 발생했는가, 아니면 겹치는 갭을 형성하는 다수의 행성이 필요한가?
• RQ5 관측된 디스크 구조는 행성 유도 압력 최대점에서의 먼지 포획 이론 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• ALMA 3 mm 이미지에서는 ≤1 au 이내의 밀집된 내부 디스크, 18–28 au 너비의 먼지 갭, 그리고 약 36 au에서 피크를 이룬 외부 고리가 확인되었다.
• 외부 고리에 있는 밀리미터 크기의 입자는 1.6 µm SPHERE 이미지에서 관측된 마이크론 크기의 입자보다 더 큰 반경 거리에 위치해 있어 반경 방향 분리가 일어나고 있음을 시사한다.
• NIR 고리 반경과 mm 피크 반경의 비율(R_wall,NIR / R_peak,mm = 0.8)은 단일 행성 시나리오에서 1.2 M_Jup 행성이 존재함을 시사한다.
• 관측된 갭 너비(≥18 au)는 단일 행성 갭의 이론적 최대값(반경 위치의 30–40%)을 초과하므로, 다수의 행성이 더 가능성 있다.
• 낮은 수축률(4×10⁻⁹ M_☉/yr)과 갭 크기로 인해 항성 주도 광화학적 증발은 갭 기원으로서 배제되며, 이는 요구되는 성장 스케일 타임과 일치하지 않는다.
• 관측된 구조는 먼지 포획이 압력 최대점에서 형성되며, 밀리미터 크기의 입자가 마이크론 크기의 입자보다 더 큰 반경에 축적되는 행성-디스크 상호작용과 가장 일치한다.