[논문 리뷰] The complex structure of the disk around HD100546: the inner few astronomical units

M. Benisty, E. Tatulli외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 14.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 32인용 수 59

한 줄 요약

이 연구는 10 Myr된 허비그 비 별 HD 100546 둘레의 복잡한 갭 구조를 가진 디스크를 VLTI/AMBER 및 MIDI 간섭계를 이용해 규명하였으며, 3차원 몬테카를로 복사열역학 모델을 통합하였다. 이 디스크는 약 0.26 AU에서 마이크론 크기의 먼지 입자가 흩어져 있는 투명한 내부 디스크를 포함하며, K-대역에서의 복사가 40% 이상이 산란에 기인해 발생한다. 또한 질량이 크고 퍼져 있는 외부 디스크가 있으며, 수직 방향으로 먼지가 분리되어 있어 입자 크기 증가와 침강 현상이 일어나고 있음을 확인하였다. 갭은 약 13 AU까지 연장되며, 이 내부에 총 먼지 질량 약 6×10²³ g이 존재한다.

ABSTRACT

Disclosing the structure of disks surrounding Herbig AeBe stars is important to expand our understanding of the formation and early evolution of stars and planets. We aim at revealing the sub-AU disk structure around the 10 Myr old Herbig Be star HD100546 and at investigating the origin of its near and mid-infrared excess. We used AMBER/VLTI observations to resolve the K-band emission and to constrain the location and composition of the hot dust in the innermost disk. Combining AMBER observations with photometric and MIDI/VLTI measurements from the litterature, we revisit the disk geometry using a passive disk model based on 3D radiative transfer. We propose a model that includes a tenuous inner disk made of micron-sized dust grains, a gap, and a massive optically thick outer disk, that successfully reproduces the interferometric data and the SED. We locate the bulk of the K-band emission at ~0.26 AU. Assuming that this emission originates from silicate, we show that micron-sized grains are required to enable the dust to survive at such a distance from the star. As a consequence, more than 40% of the K-band flux is related to scattering, showing that direct thermal emission is not sufficient to explain the near-infrared excess. In the massive outer disk, large grains in the mid-plane are responsible for the mm emission while a surface layer of small grains allows the mid and far infrared excesses to be reproduced. Such vertical structure may be an evidence for sedimentation. The observations are consistent with a model that includes a gap until ~13 AU and a total dust mass of ~0.008 lunar mass inside it. These values together with the derived scale height (~2.5 AU) and temperature (~220 K) at the inner edge of the outer disk (r=13 AU), are consistent with recent CO observations.

연구 동기 및 목표

• 10 Myr된 허비그 비 별 HD 100546의 원반 구조를 아우터 스케일에서의 해상도를 확보하여, 뜨겁고 밀도가 높은 환경에서의 행성 형성 과정을 이해하기 위해.
• 허비그 AeBe 별에 비해 이질적인 SED 특성인 강한 중적외선 초과와 약한 근적외선 초과의 기원을 설명하기 위해.
• 간섭계 및 광도 측정 데이터를 이용해 내부 디스크의 기하학적 구조, 먼지 조성, 및 반경 방향 밀도 프로파일을 규명하기 위해.
• 진행 중인 디스크에서 수직 먼지 분리(沈降) 및 입자 크기 증가 현상이 발생하고 있는지 조사하기 위해.
• 물리적으로 일관된 3차원 복사열역학 모델을 이용해 먼지 질량, 갭 크기, 내부 디스크 구조를 제약하기 위해.

제안 방법

• 내부 디스크의 아우터 스케일 구조를 해상도를 확보하기 위해 신규로 확보한 AMBER/VLTI K-대역 간섭계 관측을 활용하였다.
• 기존의 광도 측정 및 MIDI/VLTI 측정 자료와 AMBER 자료를 융합하여 전체 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 제약하였다.
• 반경 및 수직 방향으로 구조가 있는 디스크에서 먼지 복사 및 산란을 시뮬레이션하기 위해, 전체 이방성 산란을 고려한 3차원 몬테카를로 복사열역학 모델을 적용하였다.
• 디스크를 세 구성 요소로 모델링하였다: 마이크론 크기의 먼지 입자로 이루어진 희박한 내부 디스크, 약 0.26 AU에서 약 13 AU까지 연장되는 갭, 그리고 수직 분포가 있는 질량이 큰 퍼져 있는 외부 디스크.
• 모델을 통해 간섭계 복사도 및 SED, 즉 근적외선, 중적외선, 장적외선 초과를 동시에 재현하였다.
• 입자 크기 분포(0.05–3000 µm), 척도 높이, 먼지 질량를 변화시켜 관측과 일치하는 최적의 구성 조건을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 100546 둘레의 내부 디스크에서 첫 번째 몇 개의 천문단위 내에서의 반경 및 수직 구조는 어떠한가?
• RQ2 왜 HD 100546은 강한 중적외선 초과를 보이지만 약한 근적외선 초과를 보이며, 이러한 SED 이질성의 물리적 원리는 무엇인가?
• RQ3 근적외선 초과의 정도는 열복사에 기인한 것인지, 또는 뜨거운 먼지 입자에 의한 산란에 기인한 것인지?
• RQ4 디스크에서 입자 크기 증가 및 수직 침강(沈降) 현상이 관측되는가? 이러한 현상은 관측된 SED 및 간섭계 서명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 디스크의 갭 크기는 얼마이며, 내부 공실 내 총 먼지 질량은 얼마인가?

주요 결과

• K-대역 복사의 대부분은 약 0.26 AU에서 발생하며, 이는 실리케이트 입자가 약 1500 K에서 열분해되는 먼지 서브리모델 반경과 일치한다.
• K-대역 복사의 40% 이상이 산란에 기인하여, 근적외선 초과를 설명하기 위해 열복사만으로는 부족하며, 이 거리에서 안정성을 확보하기 위해 마이크론 크기의 입자가 필요하다는 것을 시사한다.
• 모델은 약 0.26 AU에서 약 13 AU까지 연장되는 갭을 포함하며, 외부 디스크는 약 13 AU에서 시작되며 내측 가장자리에서 척도 높이 약 2.5 AU로, CO 관측 결과와 일치한다.
• 외부 디스크는 중간면에 큰 입자(mm 복사에 기여)와 표면층에 작은 입자(중·장적외선 초과에 기여)를 포함하며, 이는 입자 크기 증가 및 침강 현상과 일치하는 수직 먼지 분포를 나타낸다.
• 갭 내 총 먼지 질량은 약 6×10²³ g (~0.008 개월 질량)이며, 기체 대 먼지 비율은 약 50으로 이는 이전 추정치보다 높으며 모델에 따라 크게 달라질 수 있다.
• 모델은 이전 관측 결과와 일치한다. 특히 STIS H₂ 및 [OI] 선 관측 결과는 중심 공실이 약 13 AU까지 연장됨을 지지하며, CO 관측 결과는 약 11–13 AU에서 구멍이 있음을 보여준다.