[논문 리뷰] Shadows cast on the transition disk of HD 135344B. Multiwavelength VLT/SPHERE polarimetric differential imaging

T. Stolker, C. Dominik외 36명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 85인용 수 11

한 줄 요약

다중파장 VLT/SPHERE 편광차분영상 기반으로, 이 연구는 HD 135344B의 전이 원반에서 기존에 관측된 바가 없던 해부학적 세부 정보를 드러내었으며, 외곽 원반에 둥근 나선형 패턴과 여러 그림자 기능을 확인하였다. 주요 발견은 남서부에서 표면 밝기 기울기가 양수이며, 큰 먼지 덩어리가 있음을 시사하는 빨간색 편광 원반 색상이며, 변동성이 있는 그림자 기능은 일시적인 내부 원반 교란 또는 물질 유입 흐름을 시사한다.

ABSTRACT

The protoplanetary disk around the F-type star HD 135344B (SAO 206462) is in a transition stage and shows many intriguing structures both in scattered light and thermal (sub-)millimeter emission which are possibly related to planet formation processes. We study the morphology and surface brightness of the disk in scattered light to gain insight into the innermost disk regions, the formation of protoplanets, planet-disk interactions traced in the surface and midplane layers, and the dust grain properties of the disk surface. We have carried out high-contrast polarimetric differential imaging (PDI) observations with VLT/SPHERE and obtained polarized scattered light images with ZIMPOL in R- and I-band and with IRDIS in Y- and J-band. The scattered light images reveal with unprecedented angular resolution and sensitivity the spiral arms as well as the 25 au cavity of the disk. Multiple shadow features are discovered on the outer disk with one shadow only being present during the second observation epoch. A positive surface brightness gradient is observed in the stellar irradiation corrected images in southwest direction possibly due to an azimuthally asymmetric perturbation of the temperature and/or surface density by the passing spiral arms. The disk integrated polarized flux, normalized to the stellar flux, shows a positive trend towards longer wavelengths which we attribute to large aggregate dust grains in the disk surface. Part of the the non-azimuthal polarization signal in the Uphi image of the J-band observation could be the result of multiple scattering in the disk. The detected shadow features and their possible variability have the potential to provide insight into the structure of and processes occurring in the innermost disk regions.

연구 동기 및 목표

• 산산각광에서의 HD 135344B 전이 원반의 형태와 표면 밝기 구조를 조사하여 내부 원반 구조와 행성-원반 상호작용을 탐구한다.
• 파장에 따른 편광된 복사율 경향을 통해 원반 표면의 먼지 입자 특성을 규명한다.
• 산산각광에서 관측된 그림자 기능의 기원을 설명하며, 특히 그 가변성과 공간 분포 가능성을 고려한다.
• 나선형 패턴이 원반 비대칭성을 어떻게 형성하는지 평가하고, 임베디드된 원형행성 또는 중력 불안정성과의 가능성을 탐색한다.
• 3차원 복사열역학 모델링을 통해 관측된 그림자 기능과 표면 밝기 변화를 원반 기하학적 구조와 투과도의 맥락에서 해석한다.

제안 방법

• VLT/SPHERE의 ZIMPOL 및 IRDIS 기구를 사용하여 R, I, Y, J 대역에서 고대비 편광차분영상(PDI)을 수행하여 항성 빛을 억제하고 산산각광 신호를 강화하였다.
• 항성 조사 보정 및 r² 스케일링을 Qϕ 및 Uϕ 이미지에 적용하여 내재된 표면 밝기 변화를 분리하고 항성 복사율 편향을 감소시켰다.
• 그림자 기능을 해석하기 위해 기울어지거나 비틀어진 내부 원반 성분을 포함한 3차원 복사열역학 모델을 수립하였다.
• 표면 밝기 프로파일과 편광지도 분석을 통해 애자이멀 비대칭성과 편광된 복사율의 색상 기울기를 규명하였다.
• 다중파장 편광된 복사율 비율을 사용하여 먼지 입자 크기 분포를 추론하였으며, 특히 큰(2πa ≥ λ) 덩어리 입자 존재 여부를 검증하였다.
• 다중 산산각광이 비애자이멀 편광 신호에 기여하는 정도를 평가하였으며, 특히 J-대역 Uϕ 이미지에서의 영향을 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 135344B의 외곽 원반에서 관측된 그림자 기능은 무엇이 원인이며, 왜 한 그림자는 두 번째 관측 에포크에서만 나타나는가?
• RQ2 원반 내 나선형 패턴은 표면 밝기 및 편광 패턴에 어떤 영향을 미치며, 임베디드된 원형행성 존재 가능성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 남서부 방향에서 관측된 양의 표면 밝기 기울기는 무엇을 원인으로 하는가? 그리고 이는 밀리미터파 연속기울기 비대칭성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 왜 원반은 편광된 빛에서 빨간색을 띠는가? 이는 원반 표면의 먼지 입자 크기와 구조에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 J-대역 Uϕ 이미지에서의 비애자이멀 편광 신호는 다중 산산각광의 영향인지, 아니면 내재된 원반 비대칭성의 영향인지 어느 정도가 기인하는가?

주요 결과

• 외곽 원반에 여러 그림자 기능이 확인되었으며, 그 중 하나인 그림자 C는 J-대역 관측에서만 나타나, 일시적 또는 변동성이 있는 내부 원반 구조를 시사한다.
• 항성 조사 보정된 Qϕ 이미지에서 남서부 방향으로 양의 표면 밝기 기울기가 관측되었으며, 이는 밀리미터파 연속기울기 비대칭성과 겹치며, 도래하는 나선형 패턴과 관련이 있을 가능성이 있다.
• 원반 통합 편광 복사율은 파장이 길어질수록 증가하는 빨간색을 띠며, 이는 원반 표면에서 큰 먼지 입자(2πa ≥ λ)가 지배적임을 시사하며, 대부분 덩어리 형태일 가능성이 높다.
• J-대역 Uϕ 이미지에서의 일부 비애자이멀 편광 신호는 모델링과 편광 행동 분석을 통해 다중 산산각광의 영향으로 기인하며, 내재된 비대칭성과는 무관하다고 판단된다.
• 나선형 패턴은 하나 또는 두 개의 외부 원형행성에 의해 가장 잘 설명되며, 1" (80 au)를 초과해 간격은 관측되지 않았다. 중력 불안정성 가능성은 큰 불확실성 하에 여전히 미미한 가능성이 남아 있다.
• 3차원 복사열역학 모델링은 22° 기울어진 내부 원반 또는 내외원반 성분을 연결하는 비틀어진 원반 영역이 그림자 기능의 원인일 수 있음을 지지한다.