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

T. Stolker, Gabriel-Dominique Marleau외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 119인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 VLT/NACO를 사용하여 PDS 70 b의 4–5 µm 범위에서 최초로 직접 탐지하였으며, 흑체 피팅을 통해 표면 온도 1193 ± 20 K와 반지름 3.0 ± 0.2 RJ를 유도하였다. 큰 반지름과 낮은 볼로메트릭 빛샘도수(log(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02)는 행성이 먼지로 뒤덮인 확장된 환경에 둘러싸여 있음을 시사하며, 냉각 시간이나 형성 후 엔트로피에 대한 불확실성 없이, 응집 빛샘 효과로 인해 질량과 반지름에 대한 제약 조건 Mp ≈ 0.5–1.5 MJ와 Rp ≈ 1–2.5 RJ를 부여한다.

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$\alpha$ and $M'$ filters with VLT/NACO, a tentative detection of PDS 70 c in Br$\alpha$, 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$\alpha$ 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

• 중간 적외선 광도 측정을 통해 직접 영상 촬영된 응집 중인 외계행성 PDS 70 b의 질량과 반지름을 제약하기 위해.
• 4–5 µm 범위에서 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SpE)가 단일 흑체와 일치하는지, 또는 원행성 원반과 같은 추가 성분이 필요한지 판단하기 위해.
• 냉각 시간이나 형성 후 엔트로피에 대한 불확실성 없이, 응집 빛샘의 영향이 행성 반지름과 질량 추정치에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 큰 표면 반지름이 행성 반지름보다 현저히 큰 물리적 원인을 조사하며, 먼지로 뒤덮인 가림 환경을 제안하기 위해.

제안 방법

• PDS 70 b를 4–5 µm에서 탐지하기 위해 Brα 및 M′ 필터에서 새로운 VLT/NACO 관측을 확보하였다.
• 기존의 NACO L′ 및 SPHERE H23/K12 데이터를 재분석하여 1에서 5 µm까지 완전한 SED를 구축하였다.
• 표면 온도와 반지름을 유도하기 위해 SED에 단일 흑체 모델을 피팅하였다.
• 고립된 기체 거대행성의 표준 구조 모델을 사용하여 질량–반지름 해를 도출하였으며, Hashimoto 등(2020)의 추정치로부터 응집 빛샘을 통합하였다.
• 가능한 원행성 원반 복사 에너지를 두 번째 흑체 성분으로 모델링하고, 베이즈 요인을 사용하여 모델 선호도를 평가하였다.
• 유도된 표면 반지름을 힐 영역과 비교하여 원행성계 디스크에서 먼지 재충전 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4–5 µm 광도 측정을 통해 PDS 70 b의 표면 온도와 반지름은 어떻게 제약되는가?
• RQ2 관측된 SED는 단일 흑체로 가장 잘 기술되는가, 아니면 원행성 원반과 같은 추가 성분이 필요한가?
• RQ3 냉각 시간이나 형성 후 엔트로피에 관계없이 응집 빛샘을 고려할 때 PDS 70 b의 질량과 반지름 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 표면 반지름이 행성 반지름보다 현저히 큰 이유는 무엇이며, 이는 행성의 환경에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ5 관측된 복사 에너지가 먼지 투과 또는 산란에 얼마나 영향을 받는가, 그리고 이는 빛샘 추정치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PDS 70 b의 표면 온도는 1193 ± 20 K로 제약되며, 표면 반지름은 3.0 ± 0.2 RJ로 확인되었으며, 이는 흑체 스펙트럼과 일치한다.
• 볼로메트릭 빛샘도수는 log(L/L⊙) = −3.79 ± 0.02로 측정되었으며, 이는 그 크기에 비해 상대적으로 낮은 수준이다.
• 응집 빛샘을 포함할 경우, 관측된 빛샘도수를 재현할 수 있는 것은 최대 1.5 MJ의 행성 질량뿐이며, 이로 인해 질량 제약 조건 Mp ≈ 0.5–1.5 MJ가 도출된다.
• 행성 반지름은 Rp ≈ 1–2.5 RJ로 제약되었으며, 이는 인구 합성 모델과 갭 너비 추정치와 일치한다.
• 표면 반지름(3.0 RJ)과 행성 반지름(1–2.5 RJ) 사이의 괴리로 인해 PDS 70 b가 먼지로 뒤덮인 확장된 환경에 둘러싸여 있으며 복사 에너지를 재처리하고 있음을 시사한다.
• 표면 반지름은 힐 영역 내부에 위치해 있어, 기체 응집 유량을 통해 원행성계 디스크에서 지속적인 먼지 재충전이 일어나고 있음을 나타낸다.