[논문 리뷰] Dust dissipation timescales in the intermediate and outer regions of protoplanetary disks

Hiroshi Maeshima, Takao Nakagawa외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 64인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 4,783개의 T 타우리 별에 대한 WISE 및 AKARI 적외선 보급 데이터를 통합 분석하여, 태양계 간섭성 원반의 중간(1 AU) 및 외곽(10 AU) 영역에서-dust 소멸 시간 상수를 추정한다. 별들을 젊은(<2 Myr), 중간 연령(2–6 Myr), 노령된(>6 Myr) 그룹으로 분류함으로써, 저온 원반의 먼지 소멸 시간 상수는 중간 원반에서 1.4±0.2 Myr(12 µm), 외곽 원반에서 1.4+0.6/−0.5 Myr(90 µm)로 유도되었으며, 이는 두 영역에서 거의 동일한 소멸 시간 상수를 나타내며 내부에서 외부로 원반 청소가 일어나는 모델을 지지한다.

ABSTRACT

Dust and gas in protoplanetary disks dissipate as central stars evolve. In order to estimate the dust dissipation timescales in the protoplanetary disks, we stacked the WISE 12, 22, and the AKARI 90 $\mu$m survey images of known T Tauri stars and derived the average fluxes, well below the survey flux limit in the 90 $\mu$m band. We classified 4,783 T Tauri stars into three age groups, which are young ($<$2 Myr), mid-age (2-6 Myr), and old ($>$6 Myr) groups, and stacked the WISE 12 and 22 and the AKARI 90 $\mu$m images in each group. The photometry of the stacked image shows the flux decay timescales of 1.4$\pm$0.2, 1.38$\pm$0.05, and 1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the 12, 22, and 90 $\mu$m bands, respectively. In optically thin disks with one-solar luminosity central stars, the 12 and 22 $\mu$m fluxes are attributed to the emission from the intermediate ($\sim$ 1 au) region and the 90 $\mu$m flux corresponds to that from the outer ($\sim$ 10 au) region in the disk. We hence conclude the dust dissipation timescale is $ au_{ m med,dust}\sim$1.4 Myr in the intermediate disks and is $ au_{ m outer, dust}=$1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the outer disks. The dust-dissipation time difference between the outer and intermediate disks is $\Delta au_{ m dust} = au_{ m outer,dust} - au_{ m med,dust}=0.0^{+0.6}_{-0.5}$ Myr, indicating that the dust in the intermediate and outer disks dissipates on almost the same timescale.

연구 동기 및 목표

• 관측적으로 잘 제약되지 않은 태양계 간섭성 원반의 중간 및 외곽 영역에서 먼지 소멸 시간 상수를 정량화하는 것.
• 원거리 적외선 조사의 낮은 감도 문제를 해결하기 위해, 개별 조사 감도 이하의 희미한 진화한 원반을 탐지하기 위해 스택드 분석을 적용하는 것.
• 내부에서 외부로 청소되는 모델이 예측하는 바와 같이, 외곽 및 중간 원반 영역의 먼지가 동일한 시간 상수로 소멸하는지 테스트하는 것.
• 거리 및 별 질량 분포 편향이 유도된 소멸 시간 상수에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 4,783개의 T 타우리 별에 대한 스택드된 WISE 12 µm, 22 µm 및 AKARI 90 µm 이미지를 사용하여 개별 조사 감도 이하의 평균 복사량을 탐지한다.
• 예상 연령에 기반하여 T 타우리 별을 세 연령 그룹으로 분류: 젊은(<2 Myr), 중간 연령(2–6 Myr), 노령된(>6 Myr).
• 스택드 이미지에서 광도 측정을 수행하여 평균 복사량을 측정하고, 지수 감쇠 곡선을 fitting하여 복사량 감쇠 시간 상수를 유도한다.
• 각 연령 그룹의 평균 거리에 기반하여 복사량에 거리 보정을 적용하고, 이 보정이 감쇠 시간 추정에 미치는 영향을 평가한다.
• 결과의 강건성을 확보하기 위해, 연령 그룹 간의 별 색상(GBP−GRP) 분포 편향 가능성을 평가한다.
• 통계적 분석을 통해 감쇠 시간 상수를 비교하고, 영역 간 차이의 유의미성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양계 간섭성 원반의 중간 원반 영역(~1 AU)에서 먼지 소멸 시간 상수는 무엇인가요?
• RQ2 태양계 간섭성 원반의 외곽 원반 영역(~10 AU)에서 먼지 소멸 시간 상수는 무엇인가요?
• RQ3 중간 원반과 외곽 원반 영역 간의 먼지 소멸 시간 상수가 유의미하게 다릅니까?
• RQ4 거리 및 별 질량 분포 편향은 유도된 소멸 시간 상수에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ5 관측된 복사량 변화는 모든 연령 그룹에서 지수 감쇠 모델과 일치합니까?

주요 결과

• 중간 원반 영역(12 µm 복사)에서 먼지 소멸 시간 상수는 1.4±0.2 Myr이다.
• 외곽 원반 영역(90 µm 복사)에서 먼지 소멸 시간 상수는 1.4+0.6/−0.5 Myr이다.
• 외곽 원반과 중간 원반 간의 먼지 소멸 시간 상수의 차이는 ∆τdust = 0.0+0.6/−0.5 Myr이며, 이는 오차 범위 내에서 일치함을 나타낸다.
• 연령 그룹 간의 거리 편향은 영향이 거의 없으며, 보정 시 평균적으로 감쇠 시간이 약 5% 감소할 뿐이다.
• 별 색상(GBP−GRP) 분포 편향은 무시할 수 있으며, 평균 색상의 차이가 표준 오차의 3배 이내이기 때문이다.
• 노령 그룹에서 관측된 22 µm 복사 과잉은 젊은 고체 원반에서 유래한 보조 먼지 또는 복사량 변화의 비지수 감쇠에 기인할 수 있다.