[논문 리뷰] Search for substellar-mass companions and asymmetries in their parent discs

Matthew Willson, Stefan Kraus외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 63인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 Keck/NIRC2의 희박한 개구 masking 간섭계를 사용하여 여덟 개인 전이 원반에서 은하계질량의 위성과 원반 비대칭성을 탐색한다. 네 개의 시스템에서 유의미한 비대칭성이 검출되었으며, 이 중 세 개는 점원형 위성과 일치한다. 이 연구는 약 10 au에서 FP Tau의 이전에 관측되지 않은 내부 원반 벽을 해상도를 확보하였고, $10^{-5}-10^{-3}M_J^2\,\text{yr}^{-1}$ 범위의 위성 질량-적축률 곱을 제약 조건으로 제시하여 이러한 시스템에서 지속적인 행성 형성의 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Transitional discs are a class of circumstellar discs around young stars with extensive clearing of dusty material within their inner regions on 10s of au scales. One of the primary candidates for this kind of clearing is the formation of planet(s) within the disc that then accrete or clear their immediate area as they migrate through the disc. Our sample included eight transitional discs. Using the Keck/NIRC2 instrument we utilised the Sparse Aperture Masking (SAM) interferometry technique to search for asymmetries indicative of ongoing planet formation. We searched for close-in companions using both model fitting and interferometric image reconstruction techniques. Using simulated data, we derived diagnostics that helped us to distinguish between point sources and extended asymmetric disc emission. In addition, we investigated the degeneracy between the contrast and separation that appear for marginally resolved companions. We found FP Tau to contain a previously unseen disc wall, and DM Tau, LkHa 330, and TW Hya to contain an asymmetric signal indicative of point source-like emission. We placed upper limits on the contrast of a companion in RXJ1842.9-3532 and V2246 Oph. We ruled the asymmetry signal in RXJ1615.3-3255 and V2062 Oph to be false positives. In the cases where our data indicated a potential companion we computed estimates for the value of $M_c \dot M_c$ and found values in the range of $10^{-5} - 10^{-3} M^2_J yr^{-1}$. We found significant asymmetries in four targets. Of these, three were consistent with companions. We resolved a previously unseen gap in the disc of FP Tau extending inwards from approximately 10 au.

연구 동기 및 목표

• 전이 원반의 비대칭성이 역학적으로 유도된 구조인지, 또는 임베디드된 은하계질량 위성에 의해 유도되는지 여쭤보는 것.
• 고해상도 간섭계 기법을 사용하여 전이 원반 내의 근접 위성을 탐지하고 특성화하는 것.
• 모의 데이터와 진단 도구를 사용하여 점원형 위성과 확장된 비대칭 원반 방출을 구분하는 것.
• 간섭계 관측에서 위성 대비 밝기와 분리 간의 엇갈림을 정량화하는 것.
• 잠재적 위성의 질량-적축률 곱 $M_c\dot{M}_c$를 추정하여 행성 형성 과정에 대한 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• Keck/NIRC2를 사용하여 여덟 개의 전이 원반 대상에서 아우스케일 위성과 원반 비대칭성을 탐지하기 위해 희박한 개구 masking(SAM) 간섭계를 적용한다.
• 모델 피팅과 간섭계 이미지 복원을 사용하여 점원형 방출과 비대칭 밝기 분포를 식별한다.
• 특히 저신호 대비 비율 상황에서 점원형 방출과 확장된 원반 방출을 구분하기 위해 모의 데이터를 활용한 진단 도구를 개발한다.
• 폐쇄 위상과 기준선 투영을 사용하여 대비와 분리 간의 엇갈림 플롯을 구성하며, 작은 위상 각도에 대한 해석적 근사치를 적용한다.
• 가장 짧은 투영 기준선을 사용하여 작은 분리 간격에서 엇갈림 프로파일을 추적함으로써 분 giải 한계 근처에서 감도를 향상시킨다.
• 위성 탐지 또는 비탐지를 결정하기 위해 σ > 4.0의 유의성 임계값을 적용하며, 일관성 검사를 통해 가짜 양성 결과를 거부한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 전이 원반의 비대칭성이 임베디드된 은하계질량 위성에 기인하는지, 아니면 역학적으로 유도된 원반 구조에 기인하는지 여쭤보는 것인가?
• RQ2 희박한 개구 masking 간섭계는 전이 원반에서 이전에 탐지되지 않은 원반 특징, 예를 들어 내부 벽이나 갭을 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ3 간섭계 데이터에서 약간 해상된 위성의 대비와 분리 간 엇갈림은 무엇이며, 이를 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 DM Tau, LkHα 330, TW Hya, 그리고 FP Tau에서 탐지된 비대칭성은 원반 형태보다는 저질량 위성의 존재와 일치하는가?
• RQ5 잠재적 위성의 추정된 $M_c\dot{M}_c$ 값은 무엇이며, 이는 지속적인 적축과 행성 형성에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• FP Tau에서 이전에 관측되지 않은 내부 원반 벽이 약 10 au에서 내측으로 연장됨을 확인하여 원반 내의 중요한 구조적 특징임을 시사한다.
• DM Tau, LkHα 330, 그리고 TW Hya에서 점원형 위성과 일치하는 비대칭성이 검출되었으며, 각각 6.8±0.3 mag, 5.6±0.2 mag, 5.6±0.2 mag의 대비 측정치를 확보하였다.
• RXJ1615.3-3255와 V2062 Oph의 비대칭성은 낮은 유의성과 일관되지 않은 위상 행동으로 인해 가짜 양성으로 배제되었다.
• RXJ1842.9-3532와 V2246 Oph에 대해 위성 대비의 상한선을 설정하였으며, 각각 5.5±0.2 mag와 4.3±0.5 mag로 나타내어 유의미한 탐지가 없음을 시사한다.
• 잠재적 위성의 추정된 $M_c\dot{M}_c$ 값은 $10^{-5}$에서 $10^{-3}M_J^2\,\text{yr}^{-1}$ 범위에 있었으며, 형성 중인 행성의 지속적인 적축과 일치한다.
• 이 연구는 엇갈림 모델링에서 가장 짧은 기준선을 사용할 경우, 분해 한계 근처의 가까운 위성에 대한 감도가 향상되어 탐지 능력이 향상됨을 입증하였다.