[논문 리뷰] MIRACLES: atmospheric characterization of directly imaged planets and substellar companions at 4-5 $μ$m. II. Constraints on the mass and radius of the enshrouded planet PDS 70 b

T. Stolker, Gabriel-Dominique Marleau외 5명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2020. 09. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 117인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 VLT/NACO를 사용하여 Br𝛼 및 M′ 필터에서 PDS 70 b의 첫 번째 직접 탐지 결과를 제시하며, 그 광학적 온도(1193 ± 20 K)와 반경(3.0 ± 0.2 R_J)을 유도한다. 별의 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED)에 대한 블랙바디 모델링과 유속 빛의 밝기 추정치를 결합함으로써, 저자들은 행성의 질량을 0.5–1.5 M_J로 제약하고 반경을 1–2.5 R_J로 제약하며, 이는 계속 진행 중인 형성과 먼지로 이루어진 대류층과 일치한다.

ABSTRACT

The circumstellar disk of PDS 70 hosts two forming planets, which are actively accreting gas from their environment. In this work, we report the first detection of PDS 70 b in the Br$α$ and $M'$ filters with VLT/NACO, a tentative detection of PDS 70 c in Br$α$, and a reanalysis of archival NACO $L'$ and SPHERE $H23$ and $K12$ imaging data. The near side of the disk is also resolved with the Br$α$ and $M'$ filters, indicating that scattered light is non-negligible at these wavelengths. The spectral energy distribution of PDS 70 b is well described by blackbody emission, for which we constrain the photospheric temperature and photospheric radius to $T_\mathrm{eff}=1193 \pm 20$ K and $R=3.0 \pm 0.2$ $R_\mathrm{J}$. The relatively low bolometric luminosity, $\log(L/L_\odot) = -3.79 \pm 0.02$, in combination with the large radius, is not compatible with standard structure models of fully convective objects. With predictions from such models, and adopting a recent estimate of the accretion rate, we derive a planetary mass and radius in the range of $M_\mathrm{p}\approx 0.5-1.5$ $M_\mathrm{J}$ and $R_\mathrm{p}\approx 1-2.5$ $R_\mathrm{J}$, independently of the age and post-formation entropy of the planet. The blackbody emission, large photospheric radius, and the discrepancy between the photospheric and planetary radius suggests that infrared observations probe an extended, dusty environment around the planet, which obscures the view on its molecular composition. Finally, we derive a rough upper limit on the temperature and radius of potential excess emission from a circumplanetary disk, $T_\mathrm{eff}\lesssim256$ K and $R\lesssim245$ $R_\mathrm{J}$, but we do find weak evidence that the current data favors a model with a single blackbody component.

연구 동기 및 목표

• 직접 영상 촬영된, 원환성 디스크 내에서 유속 중인 형성 중인 행성인 PDS 70 b의 물리적 성질을 규명하는 것.
• 4–5 μm 범위의 광도 및 스펙트럼 분석을 통해 그의 스펙트럼적 외관에 대한 모순을 해결하는 것.
• 냉각 시간에 대한 불확실성 없이 빛의 밝기 측정치와 유속 모델을 이용해 질량과 반경을 제약하는 것.
• Hill 반경에서의 초과 발광 여부를 통해 원행성 디스크(Circumplanetary Disk, CPD)의 존재 및 성질을 평가하는 것.

제안 방법

• VLT/NACO를 사용하여 Br𝛼 및 M′ 필터에서 고대비 영상 데이터를 확보하고, 기존의 SPHERE 및 NACO 데이터를 재분석함.
• 1에서 5 μm 범위의 PDS 70 b의 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED)를 구성하고, 단일 온도 블랙바디 모델에 적합함.
• SED 적합 결과로부터 전체 빛의 밝기를 log(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02로 계산함.
• 고립된 기체 거대행성의 표준 모델을 적용하여 질량-반경 해를 도출하고, Hashimoto 등(2020)의 유속 빛의 밝기 추정치를 통합함.
• M′ 대역에서의 잠재적 초과 발광을 블랙바디 두 개 성분 모델로 분석하여 CPD 존재 여부 평가.
• 베이지안 모델 비교(Bayes factor)를 사용하여 단일 블랙바디 모델 대비 이중 성분 모델(블랙바디 + CPD)이 데이터에 더 잘 맞는지 테스트함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PDS 70 b의 4–5 μm 광도 측정치를 바탕으로 광학적 온도와 반경은 무엇인가?
• RQ2 유속 빛의 밝기를 포함할 경우, PDS 70 b의 추정 질량과 반경은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 M′ 대역에서의 초과 발광 여부를 통해 원행성 디스크(CPD)의 존재가 확인되는가?
• RQ4 광학적 반경과 행성 반경 간의 격차가 먼지로 이루어진 확장된 대류층을 시사하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 유도된 빛의 밝기와 반경은 형성 중인 행성의 집단 합성 모델 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• PDS 70 b의 광학적 온도는 T_eff = 1193 ± 20 K로 제약되었으며, 광학적 반경은 R = 3.0 ± 0.2 R_J로 제약됨.
• 전체 빛의 밝기는 SED 적합 결과와 일치하는 log(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02로 측정됨.
• Hashimoto 등(2020)의 결과에 기반해 유속 빛의 밝기를 포함할 경우, 관측된 빛의 밝기와 일치하는 해는 최대 1.5 M_J 이하의 질량에서만 가능함.
• PDS 70 b의 질량은 0.5–1.5 M_J로 제약되고, 물리적 반경은 1–2.5 R_J로 제약되며, 이는 형성 모델과 갭 너비 추정치와 일치함.
• 광학적 반경은 힐 반경보다 현저히 작아, 기체 유속 흐름과 함께 지속적으로 보충되는 먼지로 이루어진 대류층이 존재함을 시사함.
• M′ 대역에서 잠재적인 두 번째 블랙바디 성분은 CPD의 온도 상한을 T_eff ≲ 256 K 및 반경 상한을 R ≲ 245 R_J로 제약하지만, 베이즈 인자(Bayes factor)는 단일 블랙바디 모델을 더 선호함.