[논문 리뷰] Resolving the cold debris disc around a planet-hosting star . PACS photometric imaging observations of q<SUP>1</SUP> Eridani (HD 10647, HR 506)

R. Liseau, C. Eiroa외 33명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 14인용 수 31

한 줄 요약

Herschel PACS 적외외광학 영상 촬영을 이용해 이 연구는 행성 수용성 별 q1 Eri의 차가운 연질 테이프를 처음으로 적외외파장에서 해상도를 확보했으며, 약 85 AU 지점에 40 AU 너비의 좁은 고리가 존재하고 있으며 표면 밀도 프로파일이 고리 형태의 구조와 일치함을 밝혀냈다. 이 고리는 외계행성계에서 관측된 첫 번째 에지워스-쿠이퍼 고리의 유사체이며, 추가로 탐지되지 않은 행성 q1 Eri c 존재 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Context. About two dozen exo-solar debris systems have been spatially resolved. These debris discs commonly display a variety of structural features such as clumps, rings, belts, excentric distributions and spiral patterns. In most cases, these features are believed to be formed, shaped and maintained by the dynamical influence of planets orbiting the host stars. In very few cases has the presence of the dynamically important planet(s) been inferred from direct observation. Aims. The solar-type star q(1) Eri is known to be surrounded by debris, extended on scales of less than or similar to 30 ''. The star is also known to host at least one planet, albeit on an orbit far too small to make it responsible for structures at distances of tens to hundreds of AU. The aim of the present investigation is twofold: to determine the optical and material properties of the debris and to infer the spatial distribution of the dust, which may hint at the presence of additional planets. Methods. The Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) aboard the Herschel Space Observatory allows imaging observations in the far infrared at unprecedented resolution, i.e. at better than 6 '' to 12 '' over the wavelength range of 60 mu m to 210 mu m. Together with the results from ground-based observations, these spatially resolved data can be modelled to determine the nature of the debris and its evolution more reliably than what would be possible from unresolved data alone. Results. For the first time has the q(1) Eri disc been resolved at far infrared wavelengths. The PACS observations at 70 mu m, 100 mu m and 160 mu m reveal an oval image showing a disc-like structure in all bands, the size of which increases with wavelength. Assuming a circular shape yields the inclination of its equatorial plane with respect to that of the sky, i > 53 degrees. The results of image de-convolution indicate that i likely is larger than 63 degrees, where 90 degrees corresponds to an edge-on disc. Conclusions. The observed emission is thermal and optically thin. The resolved data are consistent with debris at temperatures below 30 K at radii larger than 120 AU. From image de-convolution, we find that q(1) Eri is surrounded by an about 40 AU wide ring at the radial distance of similar to 85 AU. This is the first real Edgeworth-Kuiper Belt analogue ever observed.

연구 동기 및 목표

• q1 Eri, 행성 수용성 별 주위의 연질 테이프의 광학적 및 물리적 성질을 규명하기 위해.
• 공간 해상도가 확보된 적외외파장 데이터를 이용해 먼지의 공간 분포를 추론하기 위해.
• 관측된 테이프 구조가 알려지지 않은 행성에 의한 천체역학적 형태 변화와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 테이프를 태양계의 에지워스-쿠이퍼 고리의 잠재적 유사체로 특성화하기 위해.
• 고감도, 고해상도 PACS 관측을 통해 테이프의 물리적 성질에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• Herschel 우주망원경에서 70 µm, 100 µm, 160 µm 파장에서 PACS 적외외광학 영상 촬영을 수행하였으며, 각각 각해상도는 6′′, 7′′, 11.5′′이었다.
• 확장된 천체 영상에서 줄무늬를 최소화하고 신호 대 잡음비를 극대화하기 위해, 채핑-노딩 및 스캔-맵 관측 모드를 사용하였다.
• PSF가 α Boo에서 유도된 최대 엔트로피 방법(MEM)을 사용한 이미지 탈포화를 통해 구조적 세부 정보를 향상시켰다.
• 탈포화 이전에 100 µm 스캔 맵에서 항성 광합성 복사율(100 µm에서 8 mJy)을 제거하여 테이프 복사율을 분리하였다.
• 주축 및 보조축을 따라 표면 빛 밀도 프로파일을 모델링하여 기울기, 반경 범위 및 표면 밀도 분포를 추론하였다.
• 관측된 복사율을 단일 온도 블랙바디 및 고리-벨트 복합 모델 등의 이론적 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 q1 Eri 주위의 차가운 연질 테이프는 적외외파장에서 어떤 공간적 구조와 반경 범위를 가지는가?
• RQ2 관측된 테이프 형태는 고리 형태의 구조와 일치하는가? 그 물리적 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 이미지 탈포화 기법을 통해 고리나 벨트와 같은 미세한 구조가 드러나는가?
• RQ4 테이프의 구조는 알려진 행성 q1 Eri b 이외의 추가로 알려지지 않은 행성 존재를 암시하는가?
• RQ5 테이프의 열복사가 차가운, 확장된 연질 테이프 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• q1 Eri 주위의 연질 테이프는 70 µm, 100 µm, 160 µm에서 해상도가 확보되었으며, 파장이 길어질수록 크기가 커지는 타원형 밝기 분포를 보였다.
• 테이프는 약 40 AU 너비의 좁은 고리 또는 벨트로 가장 잘 기술되며, 항성으로부터 약 ~85 AU 거리에 중심이 놓여 있다.
• 이미지 탈포화 결과, 약 2% 깊이의 중심 부정부하와 넓어진 플랫폼이 관측되어, 매끄러운 디스크가 아닌 고리 형태의 구조와 일치함을 보였다.
• 탈포화된 이미지에서 기울기는 i > 63°로 제약이 주어졌으며, 최적 적합 모델은 i ≈ 70°를 제안하여, 광학적 산란 빛에서 유추된 변형된 경계면 기하학과 일치하였다.
• 120 AU 이상의 반경에서 먼지 온도는 30 K 이하였으며, 차가운 외부 연질 테이프임을 시사하였다.
• 관측된 테이프 구조는 외계행성계에서 관측된 첫 번째 에지워스-쿠이퍼 고리의 직접적인 유사체이며, 더 작은 반경에서 추가 행성 q1 Eri c 존재 가능성을 암시한다.