[논문 리뷰] Evidence for a massive dust-trapping vortex connected to spirals

P. Cazzoletti, E. F. van Dishoeck외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 79인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 HD 135344B 원행 星계의 고해상도 ALMA 관측을 통해 밀리미터 파장에서 거대하고 비대칭적인-dust 휠라를 규명한다. 이 휠라가 파장에 따라 변화하는 각도 이동과 더 큰 입자들이 강화된 것으로 확인되어, 행 星형성 공장으로 작용할 가능성이 있으며, 산란된 빛에서 관측된 나선형 패턴을 유도할 수 있어 외부 행성의 존재를 설명할 필요가 없을 수 있다.

ABSTRACT

Context. Spiral arms, rings and large scale asymmetries are structures observed in high resolution observations of protoplanetary disks, and it appears that some of the disks showing spiral arms in scattered light also show asymmetries in millimeter-sized dust. HD 135344B is one such disk. Planets are invoked as the origin of these structures, but no planet has been observed so far and upper limits are becoming more stringent with time. Aims. We want to investigate the nature of the asymmetric structure in the HD 135344B disk in order to understand the origin of the spirals and of the asymmetry seen in this disk. Ultimately, we aim to understand whether or not one or more planets are needed to explain such structures. Methods. We present new ALMA sub-0.1′′ resolution observations at optically thin wavelengths (λ = 2.8 and 1.9 mm) of the HD 135344B disk. The high spatial resolution allows us to unambiguously characterize the mm-dust morphology of the disk. The low optical depth of continuum emission probes the bulk of the dust content of the vortex. Moreover, we have combined the new observations with archival data at shorter wavelengths to perform a multi-wavelength analysis and to obtain information about the dust distribution and properties inside the observed asymmetry. Results. We resolve the asymmetric disk into a symmetric ring + asymmetric crescent, and observe that (1) the spectral index strongly decreases at the centre of the vortex, consistent with the presence of large grains; (2) for the first time, an azimuthal shift of the peak of the vortex with wavelength is observed; (3) the azimuthal width of the vortex decreases at longer wavelengths, as expected for dust traps. These features allow confirming the nature of the asymmetry as a vortex. Finally, under the assumption of optically thin emission, a lower limit to the total mass of the vortex is 0.3 M Jupiter . Considering the uncertainties involved in this estimate, it is possible that the actual mass of the vortex is higher and possibly within the required values (~4 M Jupiter ) to launch spiral arms similar to those observed in scattered light. If this is the case, then explaining the morphology does not require an outer planet.

연구 동기 및 목표

• HD 135344B 원행 星계의 나선형 패턴과-dust 비대칭성의 기원을 조사한다.
• 관측된 비대칭성이 휠라인지 또는 행성 유도 구조인지 확인한다.
• 관측된 나선형 형태가 단지 휠라로 설명될 수 있는지 평가한다.
• dust 질량과 휠라의 물리적 성질을 추정하여 행 星형성에서의 역할을 평가한다.
• 다중 파장 연속 스펙트럼 분석을 통해 디스크 구조 해석의 다중해를 제거한다.

제안 방법

• dust 형태를 해상도 0.1′′ 이내로 해결하기 위해 새로운 ALMA Band 3 (2.8 mm) 및 Band 4 (1.9 mm) 관측을 수행한다.
• 기존의 ALMA Band 7 (343 GHz) 및 Band 9 데이터와 결합하여 다중 파장 분석을 수행한다.
• uv-평면 데이터를 대칭적인 내부 고리와 외부 비대칭적, 공반경선 달걀형(휠라) 성분으로 모델링한다.
• 파장 의존적 형태를 정량화하기 위해 반경 및 각도 방향으로 이중 가우시안을 피팅한다.
• dust 입자 크기 분포와 광학 두께를 추론하기 위해 디스크 전역에서 스펙트럼 지수 α를 계산한다.
• 광학적으로 얇다고 가정하여, 가스 대-dust 비율이 10임을 전제로 휠라 질량의 하한을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 135344B의 비대칭적인 밀리미터-dust 복사가 휠라인지 또는 행성에 의해 유도된 구조인지 어느 것이 더 적절한가?
• RQ2 정점 복사 위치의 관측된 파장 의존적 이동이 휠라 내의-dust 포획에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 dust 휠라의 질량은 얼마이며, 이는 디스크 내 나선형 밀도파를 유도하기에 충분한가?
• RQ4 복사의 각도 폭은 파장에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 입자 크기와 포획 메커니즘에 대해 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 휠라만으로 산란된 빛에서 관측된 나선형 패턴을 설명할 수 있으며, 외부 행성의 존재를 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 비대칭적 구조는 대칭적인 내부 고리와 외부 공반경선 달걀형(휠라) 성분으로 가장 잘 모델링되며, 이는-dust 포획 휠라 존재를 확인한다.
• 휠라 내부에서 스펙트럼 지수 α는 약 2로 감소하여, cm 크기의 큰 입자가 존재함을 나타내며, 이는-dust 포착과 일치한다.
• 이번 연구에서 처음으로 파장 전역에서 정점 복사 위치의 단조로운 각도 이동이 관측되었으며, 이는 케플러 운동과 불일치하고, 휠라 내 크기 의존적 포착과 일치한다.
• 더 긴 파장(2.8 mm)에서의 복사가 더 각도적으로 집중되어 있는 반면, 짧은 파장(1.9 mm)에서는 덜 집중되어 있으며, 이는 더 큰 입자가 기체와 덜 결합되어 있음을 확인하는 예측과 일치한다.
• 광학적으로 얇다고 가정할 경우 휠라 질량 하한은 0.3 M_Jupiter이며, dust 복사가 약간 광학적으로 두꺼운 경우 최대 약 1.7 M_Jupiter까지 올라갈 수 있으며, 이는 나선형 패턴을 유도하는 데 필요한 질량에 가까운 수준이다.
• 디스크 총-dust 질량의 약 절반은 휠라에 갇혀 있으며, 이는 행 星형성 공장으로서의 주요 위치로서, 외부 행성의 존재 없이도 관측된 비대칭성을 설명할 수 있다.