[논문 리뷰] Photoevaporation and close encounters: how the environment around Cygnus OB2 affects the evolution of protoplanetary disks

M. G. Guarcello, J. J. Drake외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 시리우스 OB2 거대 연합의 극한 환경이 광학적 증발과 가까운 유사 접촉을 통해 원행 星운 분해를 가속화하는 방식을 조사한다. 공간적으로 해상도가 높은 디스크 분율 측정치를 지역적 자외선 복사 및 항성 밀도와 연관지어 분석한 결과, O형 항성으로부터 0.5 pc 이내에서는 적외선(FUV) 복사가 디스크 침식을 주도하는 반면, 극단 자외선(EUV) 복사가 연합 전반에 걸쳐 광범위한 디스크 손실을 유도하며, 간섭 물질에 의한 차폐가 디스크 분율의 부드러운 감소를 설명한다. 가까운 유사 접촉에 의한 디스크 파괴는 무시할 만큼 작으며, 전체 디스크의 ≤1%에 영향을 미치며, 광학적 증발이 주요 피드백 메커니즘임을 확인한다.

ABSTRACT

In our Galaxy, star formation occurs in a variety of environments, with a large fraction of stars formed in clusters hosting massive stars. OB stars have an important feedback on the evolution of protoplanetary disks around nearby young stars and likely on the process of planet formation occurring in them. The nearby massive association Cygnus OB2 is an outstanding laboratory to study this feedback. It is the closest massive association to our Sun, and hosts hundreds of massive stars and thousands of low mass members. In this paper, we analyze the spatial variation of the disk fraction in Cygnus OB2 and we study its correlation with the local values of Far and Extreme ultraviolet radiation fields and the local stellar surface density. We present definitive evidence that disks are more rapidly dissipated in the regions of the association characterized by intense local UV field and large stellar density. In particular, the FUV radiation dominates disks dissipation timescales in the proximity (i.e. within 0.5 pc) of the O stars. In the rest of the association, EUV photons potentially induce a significant mass loss from the irradiated disks across the entire association, but the efficiency of this process is reduced at increasing distances from the massive stars due to absorption by the intervening intracluster material. We find that disk dissipation due to close stellar encounters is negligible in Cygnus OB2, and likely to have affected 1% or fewer of the stellar population. Disk dissipation is instead dominated by photoevaporation. We also compare our results to what has been found in other young clusters with different massive populations, concluding that massive associations like Cygnus OB2 are potentially hostile to protoplanetary disks, but that the environments where disks can safely evolve in planetary systems are likely quite common in our Galaxy.

연구 동기 및 목표

• 시리우스 OB2와 같은 거대 항성 연합에서 환경 피드백이 원행 星운의 진화 및 분해 스케일 타임에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 밀도가 높고 거대한 성간 클러스터에서 광학적 증발(FUV 및 EUV)과 가까운 항성 접촉이 디스크 침식에 기여하는 상대적 기여도를 규명하는 것.
• 시리우스 OB2 전역에서 관측된 디스크 분율의 공간적 변동이 관측 편향이나 내재된 항성 형성 촉진 요인 때문이 아니라 환경적 요인 때문인지 평가하는 것.
• 다른 젊은 클러스터와 비교하여 시리우스 OB2의 디스크 생존율을 분석하고, 은하계 전반에서 디스크 안전 환경의 퍼짐을 추론하는 것.

제안 방법

• 디스크 분율의 공간적 해상도 측정치는 창다르 시리우스 OB2 레거시 서베이 자료에서 유도되었으며, 디스크가 있는지 없는지 여부에 따라 클러스터 구성원을 식별하였다.
• 지역적 적외선(FUV) 및 극단 자외선(EUV) 복사장은 O형 항성과의 거리에 기반하여 산정되었으며, 항성 집단 합성 모델링을 통해 추정하였다.
• 공간적 밴드별로 항성 표면 밀도를 계산하여 천체 역학적 접촉이 디스크 파괴에 미치는 영향를 평가하였다.
• 디스크 분율과 지역 환경 매개변수(자외선 복사량, 항성 밀도) 간의 상관관계를 통계적으로 검증하여 투영 효과나 비균일 감도와 같은 요인을 배제하였다.
• 광학적 증발 모델을 적용하여 간섭 물질에 의한 차폐를 고려한 FUV 및 EUV 조사 조건 하에서의 디스크 침식 타임스케일을 추정하였다.
• 가까운 항성 접촉의 기여도는 접촉 빈도 추정치와 디스크 파괴 단면적을 사용하여 정량화하였으며, 관측 영역에서 영향이 무시할 만큼 작음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리우스 OB2 전역에서 관측된 디스크 분율의 공간적 감소를 뒷받침하는 주요 환경 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 거대 항성에서 비치는 FUV 및 EUV 복사장이 연합 내 다양한 지역에서 원행 星운 분해 타임스케일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가까운 항성 접촉이 시리우스 OB2에서 디스크 침식에 기여하는 정도는 어느 정도이며, 광학적 증발과 비교해 상당한 영향을 미치는가?
• RQ4 예를 들어 밀도가 높은 구름 성분과 같은 차폐 물질의 존재가 시리우스 OB2에서 관측된 디스크 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시리우스 OB2와 같은 거대 연합은 일반적으로 디스크 진화에 불리한가, 아니면 행성 형성에 충분한 시간 동안 생존할 수 있는 영역이 존재하는가?

주요 결과

• 시리우스 OB2의 디스크 분율은 저자외선 지역에서 약 ~40%에서 고자외선, 고밀도 환경에서 약 ~18%로 부드럽게 감소하여 강한 환경 의존성을 보인다.
• O형 항성으로부터 약 0.5 pc 이내에서는 적외선(FUV) 복사가 디스크 침식을 주도하며, 거대 항성에 가까워질수록 광학적 증발 타임스케일이 크게 단축된다.
• 극단 자외선(EUV) 복사는 연합 전반에 걸쳐 디스크 질량 손실을 일으킬 정도로 강력하지만, 간섭 물질에 의해 흡수되면서 거리가 멀어질수록 효율성이 감소한다.
• 관측된 디스크 분율의 부드러운 감소는 잔류 구름 물질에 의한 차폐와 일치하며, 이는 EUV 광자를 흡수하고 더 먼 거리에서 이온화를 감소시킨다.
• 가까운 항성 접촉은 디스크 파괴에 거의 기여하지 않으며, 고밀도 지역에서 전체 디스크 인구의 ≤1%에만 영향을 미친다. 이는 천체 역학적 파괴가 주요 메커니즘이 아니라는 것을 의미한다.
• 극한의 환경임에도 불구하고, 외곽 지역과 흩어진 클러스터에서는 상당수의 디스크가 생존하며, 이는 은하계 전반에서 행성 형성에 적합한 디스크 안전 환경이 흔하다는 것을 시사한다.