[논문 리뷰] Location and sizes of forsterite grains in protoplanetary disks: interpretation from the Herschel DIGIT programme

K. M. Maaskant, B. L. de Vries외 5명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2014. 06. 16.

Astro and Planetary Science참고 문헌 51인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 허슐 데지티 프로그램 데이터를 사용하여 태양계 형성 초기 단계의 원반에서 옥시드 마그네슘(포스터라이트)의 복사 에너지 방출을 모델링하며, 69 µm 특징의 너비와 23/69 µm 복사율 비율이 입자 크기와 온도를 제약 조건으로 삼는다는 것을 밝혀냈다. HD 141569와 Oph IRS 48의 경우, 냉각된 철 함량이 높은 작은 입자보다는 크기가 큰(≥10 µm) 포스터라이트 입자가 더 유리하게 나타나며, 이는 진화한 원반에서 입자 이동과 입자 성장이 비효율적임을 시사한다.

ABSTRACT

The spectra of protoplanetary disks contain mid- and far- infrared emission features produced by forsterite dust grains. The spectral features contain information about the forsterite temperature, chemical composition and grain size. We aim to characterize how the 23 and 69 micron features can be used to constrain the physical locations of forsterite in disks. We check for consistency between two independent forsterite temperature measurements: the 23/69 feature strength ratio and the shape of the 69 micron band. We performed radiative transfer modeling to study the effect of disk properties to the forsterite spectral features. Temperature-dependent forsterite opacities were considered in self-consistent models to compute forsterite emission from protoplanetary disks. Modelling grids are presented to study the effects of grain size, disk gaps, radial mixing and optical depth to the forsterite features. Independent temperature estimates derived from the 23/69 feature strength ratio and the 69 micron band shape are most inconsistent for HD141569 and Oph IRS 48. A case study of the disk of HD141569 shows two solutions to fit the forsterite spectrum. A model with T ~ 40 K, iron-rich (~0-1 % Fe) and 1 micron forsterite grains, and a model with warmer (T ~ 100 K), iron-free, and larger (10 micron) grains. We find that for disks with low upper limits of the 69 micron feature (most notably in flat, self-shadowed disks), the forsterite must be hot, and thus close to the star. We find no correlation between disk gaps and the presence or absence of forsterite features. We argue that the 69 micron feature of the evolved transitional disks HD141569 and Oph IRS 48 is most likely a tracer of larger (i.e. ~10 micron) forsterite grains.

연구 동기 및 목표

• 중간 및 적외선 영역의 스펙트럼 특징을 이용해 태양계 형성 초기 단계의 원반 내 포스터라이트의 물리적 위치와 입자 크기를 규명하는 것.
• I23/I69 복사율 비율과 69 µm 특징의 형태라는 두 가지 독립적인 온도 지표 간의 일관성을 검증하는 것.
• 원반의 갭, 수평 이동, 광학적 깊이가 포스터라이트 복사 에너지 특징을 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• HD 141569와 Oph IRS 48와 같은 진화한 전이 원반에서의 온도 추정치 간 괴리점을 해결하는 것.
• 극단적인 시스템에서 넓은 69 µm 특징을 설명하는 데 있어 입자 크기와 철 농도 중 어느 것이 더 적합한지 규명하는 것.

제안 방법

• 온도에 따라 변화하는 포스터라이트 투과율을 포함한 자기 일관성 있는 원반 구조를 갖춘 복사 에너지 전달 모델링.
• 원반 특성(수평 이동, 갭, 광학적 깊이 효과 등)이 스펙트럼 특징에 미치는 영향을 모델링하는 것.
• I23/I69 복사율 비율을 온도 지표로 사용하고, 이와 69 µm 대역 형태의 일관성 검사를 비교하는 것.
• 입자 크기, 철 함량, 온도 등 다양한 매개변수를 포함한 격자 기반 모델링을 통해 파라미터 공간 탐색.
• 실험실에서 유도된 포스터라이트 투과율을 입자 크기와 철 함량 비율에 민감하게 적용해 관측된 스펙트럼을 시뮬레이션하는 것.
• 관측된 복사 에너지 특징에 맞추어 다양한 모델 구성으로 HD 141569를 사례 연구한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양계 형성 초기 단계의 원반에서 관측된 23 µm 및 69 µm 복사 에너지 특징과 일치하는 포스터라이트의 물리적 위치와 입자 크기는 무엇인가?
• RQ2 진화한 전이 원반에서 I23/I69 복사율 비율과 69 µm 대역 형태로부터 유도된 온도 추정치는 얼마나 일관된가?
• RQ3 원반의 갭 존재 여부가 포스터라이트 특징의 검출 또는 부재와 관련이 있는가?
• RQ4 HD 141569와 Oph IRS 48에서 넓은 69 µm 특징은 큰 입자에 의한 것인가, 철 함량이 높은 조성에 의한 것인가?
• RQ5 23 µm 특징이 69 µm 특징에 비해 약한 것은 입자 크기와 온도에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 평탄하고 자기 그림자 효과가 있는 원반(그룹 II)의 경우, 69 µm 특징은 포스터라이트가 내부 몇 AU 내에 위치해 있음을 시사하며, 이는 수평 이동이 비효율적임을 의미한다.
• 69 µm 특징이 더 강한 원반은 밀리미터 파장 복사율이 낮은 원반과 관련이 있으며, 이는 원반 진화 과정에서 냉각된 외곽 영역에서 포스터라이트 생성 또는 이동이 증가했음을 시사한다.
• HD 141569와 Oph IRS 48에서 I23/I69 복사율 비율과 69 µm 대역 형태 간의 온도 추정치는 일관성이 없으며, 이는 새로운 설명이 필요함을 시사한다.
• HD 141569와 Oph IRS 48에서 넓은 69 µm 특징은 철 함량이 높은 조성보다는 포스터라이트 입자가 10 µm 이상 크기일 때 가장 잘 설명된다.
• HD 141569에 대해 두 가지 타당한 모델이 존재한다: 하나는 냉각된(40 K), 철 함량이 높은(0–1% Fe), 1 µm 입자를 갖는 모델이며, 다른 하나는 따뜻한(100 K), 철이 없는, 10 µm 입자를 갖는 모델이다.
• 더 큰(≥10 µm) 포스터라이트 입자를 포함한 모델이 더 물리적으로 타당한데, 이는 냉각된 철 함량이 높은 입자 분포와 이동에 대해 비현실적인 가정을 피하기 때문이다.