[논문 리뷰] Structuring the HD 141569 A circumstellar dust disk. Impact of eccentric bound stellar companions

J.‐C. Augereau, J. C. B. Papaloizou|ArXiv.org|2003. 10. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 31인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 HD 141569 A의 원행성 먼지 원반의 비대칭적 구조—나비에르 팔, 넓은 갈라진 부분, 확장된 발광—이 거대한 내부 행성 대신 먼지의 먼지 원반에 장기적인 중력 교란을 유도하는 원거리에 위치한 타원형 궤도를 도는 이중성계에 기인한다고 제안한다. 시뮬레이션 결과, 궤도 이심률가 0.7–0.9이고 페리아스트론 거리가 약 930 AU인 유한한 궤도를 도는 연성 천체가 관측된 원반 형태와 먼지의 빨간빛을 재현하며, 이는 충돌 활동이 활발하고 짧은 수명을 가진 미세먼지 입자들에 의해 유도된 입자 크기 분포와 일치한다.

ABSTRACT

Scattered light images of the optically thin dust disk around the 5 Myr old star HD141569 have revealed its complex asymmetric structure. We show in this paper that the surface density inferred from the observations presents similarities with that expected from a circumprimary disk within a highly eccentric binary system. We assume that either the two M stars in the close vicinity of HD141569 are bound companions or at least one of them is an isolated binary companion. We discuss the resulting interaction with an initially axisymmetric disk. This scenario accounts for the formation of a spiral structure, a wide gap in the disk and a broad faint extension outside the truncation radius of the disk after 10-15 orbital periods with no need for massive companion(s) in the midst of the disk resolved in scattered light. The simulations match the observations and the star age if the perturber is on an elliptic orbit with a periastron distance of 930 AU and an eccentricity from 0.7 to 0.9. We find that the numerical results can be reasonably well reproduced using an analytical approach proposed to explain the formation of a spiral structure by secular perturbation of a circumprimary disk by an external bound companion. We also interpret the redness of the disk in the visible reported by Clampin et al.(2003) and show that short-lived grains one order of magnitude smaller than the blow-out size limit are abundant in the disk. The most probable reason for this is that the disk sustains high collisional activity. Finally we conclude that additional processes are required to clear out the disk inside 150 AU and that interactions with planetary companions possibly coupled with the remnant gas disk are likely candidates.

연구 동기 및 목표

• 산산각진 빛에서 관측된 HD 141569 A의 원행성 먼지 원반의 복잡한 비대칭적 구조를 설명하기 위해.
• 원거리에 위치한 유한한 별 이중성계의 중력 교란이 내부에 거대한 행성이 필요 없이도 원반의 나비에르 팔, 갈라진 부분, 확장된 발광을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 가시광선에서 관측된 원반의 빨간빛을 해석하고, 특히 짧은 수명을 가진 작은 입자들의 비율을 제약 조건으로 삼아 입자 크기 분포를 규명하기 위해.
• 150 AU 이내에서의 추가적인 청소 메커니즘의 필요성을 평가하며, 행성계나 잔류 기체 원반의 역할을 제안하기 위해.

제안 방법

• 원행성 원반과 원거리에 위치한 타원형 궤도를 도는 이중성계 간의 상호작용을 수치적 유체역학 시뮬레이션으로 모델링하기 위해.
• 장기적인 외부 별 이중성계의 중력 영향을 모델링하기 위해 장기적 교란 이론을 사용하여 원반의 표면 밀도 및 나비에르 패턴 형성 원리를 분석하기 위해.
• 고도의 이심률을 가진 외부 별 이중성계에 의해 유도된 나비에르 밀도파의 이론적 모델링을 적용하기 위해.
• 관측된 가시광선 및 근적외선 산산각진 빛을 해석하기 위해 복사전달 모델링을 수행하며, 입자 산산각진 효율성과 입자 크기에 따른 반사율을 고려하기 위해.
• 레이저 근사법과 효과적 매질 이론(Maxwell-Garnett)을 사용하여 다공성 입자에 대해 산산각진 효율(Q_sca)을 기반으로 최소 입자 크기의 하한을 유도하기 위해.
• 다공성 입자의 영향을 효과적 비편재율을 통해 조정하여 입자 크기 파rameter와 산산각진 거동을 조정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 나비에르 패턴과 넓은 갈라진 부분이 원거리에 위치한 타원형 궤도를 도는 별 이중성계의 장기적 교란에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 원반 형태를 10–15개 궤도 주기 동안 재현하기 위해 필요한 유한한 별 이중성계의 궤도 파라미터(이심률, 페리아스트론 거리)는 무엇인가?
• RQ3 왜 원반은 가시광선에서 빨간빛을 띠는가? 이는 입자 크기 분포와 수명에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 왜 150 AU 이내에서 먼지 빛의 밝기가 급격히 감소하는가? 이에 대한 추가적인 과정은 무엇이 필요한가?
• RQ5 다공성은 레일리 영역에서 추론된 최소 입자 크기와 산산각진 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 페리아스트론 거리가 약 930 AU이고 이심률가 0.7에서 0.9 사이인 타원형 궤도를 도는 유한한 별 이중성계가 10–15개 궤도 주기 후에 관측된 나비에르 패턴, 넓은 갈라진 부분, 확장된 발광을 성공적으로 재현한다.
• 시뮬레이션 결과는 관측된 표면 밝기 비대칭성(최대 2.5–3배의 대비)과 반경 방향의 구조를 잘 재현하며, 200 AU와 325 AU에 위치한 두 개의 주요 고리 사이에 어두운 갈라진 부분이 존재하는 것도 일치한다.
• 가시광선에서의 원반의 빨간빛은 작은 입자(붕괴 크기 한계보다 약 10배 작음)의 높은 비율을 나타내며, 원반 내에서 강한 충돌 활동이 일어나고 있음을 시사한다.
• 입자 크기 분석 결과, 관측 결과와 일치하는 최소 입자 크기는 레일리 영역에서의 산산각진 효율에 의해 제약을 받으며, 다공성은 효과적 크기 파rameter를 감소시키고 산산각진 거동을 변화시킨다.
• 해석적 장기적 교란 이론 모델은 수치적 결과와 양호한 일치를 보이며, 나비에르 팔 형성의 물리적 메커니즘을 확인한다.
• 150 AU 이내의 먼지 감소는 이중성계의 영향만으로는 설명되지 않으며, 행성계와의 상호작용이나 잔류 기체 원반의 역학 등 추가적인 청소 메커니즘이 필요하다는 것을 시사한다.