[논문 리뷰] The protoplanetary system HD 100546 in H$α$ polarized light from SPHERE/ZIMPOL. A bar-like structure across the disk gap?

I. Mendigutía, R. D. Oudmaijer외 8명|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2017. 10. 31.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 84인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 VLT의 SPHERE/ZIMPOL을 사용하여 HD 100546의 태양계 형성 초기 단계에 있는 원반에서 최초로 고해상도 편광 Hα 관측을 수행하여, NE-SW 방향으로 원반 간극을 가로지르는 20 au 크기의 막대 모양 구조를 규명하였다. 이 구조는 외부 원반에서 내부 원반으로 먼지와 기체가 빛의 방향으로 유입되는 잠재적 흐름으로 해석되며, 숨겨진 행성에 의해 유도될 수 있어 청소년기 행성계에서의 소규모 축적 과정을 직접 관측할 수 있는 흔한 사례를 제공한다.

ABSTRACT

HD 100546 is one of the few known pre-main-sequence stars that may host a planetary system in its disk. We analyze new VLT/SPHERE/ZIMPOL polarimetric images of HD 100546 with filters in H$α$ and the adjacent continuum. We have probed the disk gap and the surface layers of the outer disk, covering a region < 500 mas (< 55 au at 109 pc) from the star, at an angular resolution of ~ 20 mas. Our data show an asymmetry: the SE and NW regions of the outer disk are more polarized than the SW and NE. This can be explained from a preferential scattering angle close to 90$^o$, consistent with previous polarization images. The outer disk extends from 13 $\pm$ 2 to 45 $\pm$ 9 au, with a position angle and inclination of 137 $\pm$ 5$^o$ and 44 $\pm$ 8$^o$. The comparison with previous estimates suggests that the disk inclination could increase with the stellocentric distance, although the different measurements are still consistent within the error bars. In addition, no direct signature of the innermost candidate companion is detected from polarimetry, confirming recent results based on intensity imagery. We set an upper limit to its mass accretion rate < 10$^{-8}$ M$_{\odot}$/yr for a sub-stellar mass of 15M$_{Jup}$. Finally, we report the first detection (> 3$σ$) of a ~ 20 au bar-like structure that crosses the gap through the central region of HD 100546. It is tentatively suggested that the bar could be dust dragged by infalling gas that radially flows from the outer disk. This could represent an exceptional case in which a small-scale radial inflow is observed in a single system. If this scenario is confirmed, it could explain the presence of atomic gas in the inner disk that would otherwise accrete on to the central star on a timescale of a few months/years, as previously indicated from spectro-interferometric data, and could be related with additional (undetected) planets.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 편광을 활용하여 HD 100546의 외부 원반 및 간극 영역의 형태와 편광 구조를 조사하기.
• 편광 영상법을 통해 내측 후보 행성 HD 100546c의 존재성과 축적 상태를 평가하기.
• 관측된 비대칭성과 구조가 산란 기하학적 원리 또는 빛의 방향 흐름과 같은 역학적 과정에 의해 설명될 수 있는지 판단하기.
• 관측된 막대 모양의 구조가 원반 진화와 행성 형성에 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• VLT의 SPHERE/ZIMPOL 장비를 사용하여 고공간 해상도 Hα 및 인접한 연속 스펙트럼의 편광 영상 획득.
• SPHERE/ZIMPOL 파ip라인을 사용한 데이터 처리: 평탄화, 천체 배경 제거, 편광 캘리브레이션 수행.
• 스토크스 매개변수 측정을 통해 선형 편광도를 유도하고 산란 기하학적 특성 추론.
• 원반 표면층을 13 ± 2 au에서 45 ± 9 au까지 맵핑하고, 위치각과 기울기를 결정.
• 편광 제약 조건을 활용하여 HD 100546c의 축적 빛의 세기와 질량 축적률에 대한 상한선 설정.
• 원반 간극 영역의 형태 분석을 통해 막대 모양의 구조 식별 및 특성화 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HD 100546의 외부 원반 및 간극 영역에서 고각해상도로 관측된 형태와 편광 구조는 어떠한가?
• RQ2 내측 후보 행성 HD 100546c는 편광된 Hα 빛에서 감지 가능한가? 그리고 그 축적 특성은 어떠한가?
• RQ3 관측된 막대 모양의 구조를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 원반의 기울기는 항성 중심에서의 거리에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 원반 기하학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 막대 모양의 구조가 외부 원반에서 내부 원반으로 물질이 빛의 방향으로 흐르는 흐름을 나타내는가? 이는 축적과 행성 형성에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 외부 원반은 13 ± 2 au에서 45 ± 9 au까지 연장되며, 위치각은 137 ± 5°, 기울기는 44 ± 8°로 이전 추정치와 일치하지만 반경이 증가함에 따라 기울기가 증가할 가능성이 있음을 시사한다.
• 편광에서 뚜렷한 비대칭성이 관측되며, 남동쪽과 북서쪽 영역이 남서쪽과 북동쪽 영역보다 더 높은 편광도를 보이며, 약 90°에서의 선호적 산란과 일치한다.
• 내측 후보 행성 HD 100546c의 직접적인 편광 영상 신호는 관측되지 않아, 15 MJup의 천체 질량에 대해 질량 축적률 상한선이 < 10⁻⁸ M⊙ yr⁻¹ 이하로 설정된다.
• 고해상도 편광 Hα 영상에서 최초로 20 au 크기의 막대 모양의 구조를 관측하였으며, 이는 NE-SW 방향으로 원반 간극을 가로지르며 유의미도가 3σ 이상이다.
• 막대 모양의 구조는 외부 원반에서 내부 영역으로 먼지와 기체가 빛의 방향으로 흐르는 흐름으로 일시적으로 해석되며, 숨겨진 행성에 의해 유도될 수 있다.
• 유입 시나리오가 높은 관측된 항성 축적률을 설명할 수 있으며, 내부 원반 내 원자 기체의 존재를 설명할 수 있지만, 역학적 특성을 확인하기 위해 속도 분 giải 관측이 필요하다.