[논문 리뷰] Ruling out unresolved binaries in five transitional disks VLT/NACO: deep 2.12 and 1.75 μm narrow-band imaging

S. Vicente, B. Merín외 9명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2011. 07. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 94인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 VLT/NACO를 사용한 깊은 근적외선 협폭 영상으로, 중심 항성으로부터 0.1 arcsecond 이내의 비해상화된 이중성 보조성들을 다섯 개인 전이 원반에서 배제하였다. 내부 빈자리/간극 영역에서는 대비 한계가 2–5 mag이며, 외곽 영역에서는 최대 9.3 mag에 이르렀다. 결과적으로 대부분의 시스템에서 내부 공동의 주요 원인으로 별 또는 준별성 보조성이 아닌, 행성 형성 또는 입자 성장과 같은 다른 메커니즘을 지지한다.

ABSTRACT

Aims. We aim at detecting the presence of companions inside the inner hole/gap region of a sample of five well known transitional disks using spatially-resolved imaging in the near-IR with the VLT/NACO/S13 camera, which probes projected distances from the primary of typically 0.1 to 7 arcsec. The sample includes the stars DoAr 21, HD 135344B (SAO 206462), HR 4796A, T Cha, and TW Hya, spanning ages of less than 1 to 10 Myr, spectral types of A0 to K7, and hole/gap outer radii of 4 to 100 AU. Methods. In order to enhance the contrast and to avoid saturation at the core of the point-spread function (PSF), we use narrow-band filters at 1.75 and 2.12 μm. The "locally optimized combination of images" (LOCI) algorithm is applied for an optimal speckle noise removal and PSF subtraction, providing an increase of 0.5-1.5 mag in contrast over the classic method. Results. With the proviso that we could have missed companions owing to unfavorable projections, the VLT/NACO observations rule out the presence of unresolved companions down to an inner radius of about 0".1 from the primary in all five transitional disks and with a detection limit of 2 to 5 mag in contrast. In the disk outer regions the detection limits typically reach 8 to 9 mag in contrast and 4.7 mag for T Cha. Hence, the NACO images resolve part of the inner hole/gap region of all disks with the exception of TW Hya, for which the inner hole is only 4 AU. The 5σ sensitivity profiles, together with a selected evolutionary model, allow to discard stellar companions within the inner hole/gap region of T Cha, and down to the substellar regime for HD 135344B and HR 4796A. DoAr 21 is the only object from the sample of five disks for which the NACO images are sensitive enough for a detection of objects less massive than \sim 13 MJup that is, potential giant planets or low-mass brown dwarfs at radii larger than \sim 76 AU (0".63).

연구 동기 및 목표

• 전이 원반에서 관측된 내부 투명도 공동이 해상화되지 않은 이중성 보조성으로 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 근접한 이중성이 원형성원반의 먼지 간극을 청소하는 데 가능한 메커니즘인지 조사하기 위해.
• 다섯 개의 잘 연구된 전이 원반의 내부 빈자리/간극 영역 내 잠재적 보조성의 질량과 궤도 반경을 제약하기 위해.
• 고대비 영상에서 고급 스펙클 노이즈 감소 기술을 적용하여 저질량 보조성에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 이중성 보조성이 제거된 후, 행성 형성, 입자 성장, 또는 광분해와 같은 대체 메커니즘이 공동 형성에 타당한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 점원함수(PSF)의 중심에서 포화를 방지하고 대비를 향상시키기 위해 VLT의 NACO 기구를 사용하여 1.75 μm 및 2.12 μm에서 깊은 협폭 영상 촬영을 수행하였다.
• 스펙클 노이즈를 억제하고 PSF 제거를 향상시키기 위해 국소적으로 최적화된 영상 조합(LOCI) 알고리즘을 적용하였으며, 전통적 방법 대비 0.5–1.5 mag의 대비 향상을 달성하였다.
• 유사 조건에서 관측된 PSF 캘리브레이터를 사용하여 항성의 PSF를 모델링하고 제거함으로써, 주성 근처의 희미한 보조성을 탐지할 수 있도록 하였다.
• 관측된 대비 한계를 기반으로 5σ 감도 프로파일을 계산하고, 이를 진화 모델과 융합하여 다양한 거리에서 감지 가능한 최소 질량을 추정하였다.
• 원반의 다양한 영역에서 탐지 한계를 평가하였으며, 내부 빈자리/간극 영역(0.1–1.5 arcsec)과 외곽 원반 영역(1 arcsec 초과)을 구분하였다.
• 준별성 및 행성질량 천체에 대한 질량 감도 추정치를 정밀화하기 위해 최신 항성 파aram터(예: TW Hya의 더 어린 연령과 M2.5 스펙트럼 유형)를 통합하였다.

Figure 1: LOCI optimization grid for a full width at half-maximum (FWHM) of 6 pixels overlaid on the 1.75 $\mu$ m PSF-subtracted image of HD 135344B (09-05-2007). The frame is 512 $\times$ 512 data pixels (13.27 mas/pixel) and the diameter of the inner circle is $\sim$ 52 pixels. The FWHM input used

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해상화되지 않은 이중성 보조성이 전이 원반의 관측된 내부 빈자리나 간극을 설명할 수 있는가?
• RQ2 각 전이 원반의 내부 공동 내에서 배제될 수 있는 보조성의 최소 질량은 얼마인가?
• RQ3 VLT/NACO 영상의 감도는 원반 영역 내 항성, 백색왜성, 또는 행성질량 보조성의 존재를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 이미징 결과가 이중성에 의한 tidal truncation이 원반 공동의 기원이라는 가정을 어느 정도 배제하는가?
• RQ5 최신 항성 파aram터(예: 연령과 스펙트럼 유형)는 저질량 보조성의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• VLT/NACO 관측은 다섯 전이 원반 전부에서 주성으로부터 0.1 arcsecond 이내의 해상화되지 않은 보조성을 배제하였으며, 내부 영역에서 대비 한계는 2.2–4.9 mag였다.
• 외곽 원반 영역(1 arcsecond 초과)에서는 대비 한계가 7.7–9.3 mag에 이르렀으며, T Cha의 경우 대비 한계가 4.7 mag에 이르렀다.
• 0.1 arcsecond 이내에서 항성 보조성의 질량이 0.11 M⊙를 초과하는 경우를 배제하였으며, ~5.5 AU 이상의 거리에서 이는 ~5.5 AU 이상에서 배제되었다. 또한 7 AU 이상에서는 백색왜성질량 보조성을 배제하였다.
• 행성질량 보조성(약 7 M_Jup 이하)은 ~13 AU 이상(0.24 arcsecond)에서 배제되었으며, 87 AU 이상에서는 대비 감도가 8 mag에 이르렀다.
• DoAr 21의 경우, 반경이 약 ~76 AU 이상(0.63 arcsecond)인 곳에서는 약 13 M_Jup 미만의 보조성을 감지할 수 있었으며, 이는 거대행성 또는 저질량 백색왜성의 존재를 탐지할 수 있도록 하였다.
• 결과적으로, 특히 DoAr 21과 HR 4796A에서 이중성 보조성이 공동 형성의 주요 원인으로서 배제됨에 따라, 거대행성 형성, 효율적 입자 성장, 또는 광분해와 같은 대체 메커니즘이 공동 형성에 타당하다는 것을 지지한다.

Figure 2: High-contrast residual images after PSF removal with the LOCI algorithm for both filters NB_1.75 and NB_2.12. Each panel is a $3\aas@@fstack{\prime\prime}3\times 3\aas@@fstack{\prime\prime}3$ sub-image centered on the target star. The bottom set of panels is a zoom-in of the inner $1^{\pri