[논문 리뷰] Spatial segregation of dust grains in transition disks. SPHERE observations of 2MASS J16083070-3828268 and RXJ1852.3-3700

M. Villenave, M. Benisty외 28명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 02. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 122인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 VLT/SPHERE 및 ALMA 관측을 통해 두 개의 전이 원반 J1608과 J1852에서 먼지 입자 분리 현상을 조사하며, 마이크론 크기의 입자가 반경 방향과 수직으로 밀리미터 크기의 입자보다 더 멀리 퍼져 있는 것으로 나타났다. 이는 반경 방향 이동과 수직 침강의 결과이다. 복사 전달 모델링 결과, 22개의 전이 원반 중 15개에서 산란된 빛에서의 갈라진 영역 크기는 밀리미터 파장에서의 갈라진 영역 크기보다 작으며, 이는 행성에 의해 유도된 청소 작용을 시사한다. 이 중 15개 시스템은 13 M_J 이하의 거대 행성과 일치하며, 7개는 더 질량이 큰 또는 다수의 동반 천체가 필요하다.

ABSTRACT

Context. The mechanisms governing the opening of cavities in transition disks are not fully understood. Several processes have been proposed but their occurrence rate is still unknown. Aims. We present spatially resolved observations of two transition disks and aim at constraining their vertical and radial structure using multiwavelength observations. Methods. We have obtained near-IR scattered light observations with VLT/SPHERE of the transition disks J1608 and J1852. We complement our datasets with ALMA observations and with unresolved photometric observations covering a wide range of wavelengths. We performed radiative transfer modeling to analyze the morphology of the disks and compare the results with a sample of 20 other transition disks observed with both SPHERE and ALMA. Results. The scattered light image of J1608 reveals a very inclined disk, with two bright lobes and a large cavity. J1852 shows an inner ring extending beyond the coronagraphic radius up to 15au, a gap and a second ring at 42au. Our radiative transfer model of J1608 indicates that the millimeter-sized grains are less extended vertically and radially than the micron-sized grains, indicating advanced settling and radial drift. We find good agreement with the observations of J1852 with a similar model, but due to the low inclination of the system, the model remains partly degenerate. The analysis of 22 transition disks shows that, in general, the cavities observed in scattered light are smaller than the ones detected at millimeter wavelengths. Conclusions. The analysis of a sample of transition disks indicates that the small grains can flow inward of the region where millimeter grains are trapped. While 15 out of the 22 cavities in our sample could be explained by a planet of less than 13 Jupiter masses, the others either require the presence of a more massive companion or of several low-mass planets.

연구 동기 및 목표

• 전이 원반에서 갈라진 영역 형성의 메커니즘을 이해하고, 특히 행성-원반 상호작용의 역할을 규명하는 것.
• 다중 파장 관측을 통해 전이 원반 내 다양한 크기의 먼지 입자의 공간 분포를 조사하는 것.
• 산란된 빛과 밀리미터 파장에서의 방출 간의 갈라진 영역 크기 차이가 반경 방향 이동과 수직 침강으로 인한 먼지 입자 분리 때문인지 확인하는 것.
• 관측 데이터와 복사 전달 모델링을 통해 갈라진 영역 형성에 기여하는 잠재적 행성 동반자의 질량을 제약하는 것.
• SPHERE 및 ALMA 데이터로 관측된 22개의 전이 원반 샘플을 분석하여 행성에 의해 유도된 갈라진 영역 청소의 퍼짐 정도를 평가하는 것.

제안 방법

• VLT/SPHERE의 편광 모드를 사용하여 J1608과 J1852의 고해상도 근적외선 산란 빛 이미지를 확보하였다.
• 밀리미터 파장에서의 보다 큰 먼지 입자를 탐색하기 위해 기록된 ALMA 자료를 보완하였다.
• 넓은 파장 범위의 비해상화된 광도 데이터를 조합하여 먼지 특성을 제약하였다.
• 관측된 원반 형태를 재현하고 입자 크기 분포, 수직 및 반경 방향 범위를 추론하기 위해 3차원 복사 전달 모델링을 수행하였다.
• de Juan Ovelar 등(2013)의 방법을 사용하여 관측된 갈라진 영역 크기와 일치하는 동반자 질량을 추정하였다.
• SPHERE 및 ALMA로 관측된 22개의 전이 원반 샘플을 편성하고, 갈라진 영역 크기의 일반적 경향을 평가하기 위해 분석하였다.

Figure 1: Normalized polarized intensity map (left panel), Q ϕ (middle), and U ϕ (right) maps of J1608. Top: H-band observations, obtained with a coronagraph as illustrated by the gray circle of diameter 0.185″. The dashed line in the left panel traces the faint scattered light from the rear-facing

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경 방향 이동과 수직 침강로 인해 전이 원반에서 마이크론 크기의 먼지 입자가 밀리미터 크기의 입자보다 더 멀리 퍼지는가?
• RQ2 산란된 빛과 밀리미터 방출 간의 갈라진 영역 크기 차이의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 J1608과 J1852에서 관측된 갈라진 영역 형태는 단일 거대 행성 또는 다수의 동반자로 설명될 수 있는가?
• RQ4 먼지 입자 분리는 전이 원반 샘플 전반에서 얼마나 흔한가? 이는 행성 형성 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 22개 원반 샘플에서 관측된 갈라진 영역 크기를 설명하기 위해 필요한 동반자 질량 범위는 무엇인가?

주요 결과

• J1608에서는 산란된 빛이 0.54″(108 au)까지 감지되었으며, 이는 기울기가 약 74°인 매우 기울어진 원반과 큰 갈라진 영역, 그리고 두 개의 밝은 빛 봉우리를 보여주며, 뒤쪽 산란 표면은 약간의 감지가 가능했다.
• J1852에서는 코로나그래프 반경을 초월해 15 au까지 이르는 내부 고리가 있으며, 간격과 42 au에 두 번째 고리가 존재하여 복잡한 반경 방향 구조를 나타낸다.
• 복사 전달 모델링 결과, J1608에서 밀리미터 크기의 입자는 마이크론 크기의 입자보다 수직 및 반경 방향으로 더 적게 퍼져 있음을 확인하였으며, 이는 진행된 침강과 반경 방향 이동을 뒷받침한다.
• 유사한 모델은 J1852에도 잘 맞지만, 낮은 기울기로 인해 유도된 매개변수에 모호성이 존재한다.
• SPHERE 및 ALMA 데이터로 관측된 22개의 전이 원반 중 산란된 빛에서의 갈라진 영역 크기는 항상 밀리미터 파장에서의 갈라진 영역 크기보다 작으며, 이는 먼지 입자 분리를 시사한다.
• 22개의 원반 중 15개는 13 M_J 이하의 단일 거대 행성과 일치하며, 나머지 7개는 더 질량이 큰 동반자 또는 다수의 저질량 행성 동반이 필요하다.

Figure 2: Normalized polarized intensity map (left panel), Q ϕ (middle), and U ϕ (right) maps of J1852, observed in H-band with a coronagraph. The Q ϕ and U ϕ maps are normalized to the maximum of Q ϕ . The dashed ellipses in the left panel represent the two scattered light rings (see text for detai