[논문 리뷰] The structure of the protoplanetary disk surrounding three young intermediate mass stars. II. Spatially resolved dust and gas distribution

D. Fedele, M. E. van den Ancker외 8명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2008. 09. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 43인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 VLTI/MIDI 간섭계와 고해상도 광학 스펙트로스코피를 이용해 HD 101412, HD 135344 B, HD 179218 주위의 중량급 원형행성형 원반에서 먼지(10 μm 복사)와 기체([O i] 6300 Å 복사)의 공간적으로 분 giải된 관측을 수행한다. 이는 원반 내 기체-먼지 분리 현상에 대한 첫 번째 직접적 증거를 제공하며, HD 101412와 HD 135344 B에서 2 AU 이상에서 자가그림진 먼지 구조를 보이는 반면 기체는 패인 형태를 띠고 있음을 시사한다. 이는 입자 크기 증가, 침강, 기체-먼지 분리에 의해 유도된 원반 진화를 시사한다.

ABSTRACT

[Abridged] We present the first direct comparison of the distribution of the gas, as traced by the [OI] 6300 AA emission, and the dust, as traced by the 10 micron emission, in the protoplanetary disk around three intermediate-mass stars: HD 101412, HD 135344 B and HD 179218. N-band visibilities were obtained with VLTI/MIDI. Simple geometrical models are used to compare the dust emission to high-resolution optical spectra in the 6300 AA [OI] line of the same targets. The disks around HD 101412 and HD 135344 B appear strongly flared in the gas, but self-shadowed in the dust beyond ~ 2 AU. In both systems, the 10 micron emission is rather compact (< 2 AU) while the [OI] brightness profile shows a double peaked structure. The inner peak is strongest and is consistent with the location of the dust, the outer peak is fainter and is located at 5-10 AU. Spatially extended PAH emission is found in both disks. The disk around HD 179218 is flared in the dust. The 10 micron emission emerges from a double ring-like structure with the first ring peaking at ~ 1 AU and the second at ~ 20 AU. No dust emission is detected between ~ 3 -- 15 AU. The oxygen emission seems also to come from a flared structure, however, the bulk of this emission is produced between ~ 1 -- 10 AU. This could indicate a lack of gas in the outer disk or could be due to chemical effects which reduce the abundance of OH -- the parent molecule of the observed [OI] emission -- further away from the star. The three systems, HD 179218, HD 135344 B and HD 101412, may form an evolutionary sequence: the disk initially flared becomes flat under the combined action of gas-dust decoupling, grain growth and dust settling.

연구 동기 및 목표

• 세 개의 젊은 중간 질량 항성 주위의 원형행성형 원반에서의 먼지와 기체의 공간 분포를 조사하기 위해.
• 원형행성형 원반 모델에서 기체와 먼지 간 열적 결합 가정을 검증하기 위해.
• 먼지와 기체 복사 간의 구조적 차이가 원반 진화 과정에서 기체-먼지 분리 현상의 징후인지 확인하기 위해.
• 원반 기하학, 입자 크기 증가, 침강이 관측된 복사 프로파일 형성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 공간적으로 분해된 먼지 및 기체 형태를 바탕으로 원반 구조의 진화적 순서를 평가하기 위해.

제안 방법

• 10 μm 먼지 복사의 지도를 그려내기 위해 고각해상도로 N밴드 간섭도를 측정하기 위해 VLTI/MIDI 간섭계를 사용하였다.
• [O i] 6300 Å 선의 고해상도 광학 스펙트로스코피를 통해 이온화 산소 기체의 공간 분포를 추적하였다.
• 먼지 복사 크기와 구조를 유추하기 위해 MIDI 간섭도 데이터에 단순 기하 모델(균일 원판 및 균일 고리)을 적합시켰다.
• 원반의 기울기 및 위치각 보정을 통해 간섭도 데이터를 탈중합하고 원반 방향을 보정하였다.
• 내부 고리와 외부 고리의 Bessel 함수 기반 간섭도 함수의 차이를 사용하여 이중 고리 모델의 간섭도를 유도하였다.
• 균일 고리의 간섭도는 기울기로 인한 단축 계수를 고려하여 두 균일 원판 간섭도의 차이로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 질량 항성 주위 원형행성형 원반에서 먼지와 기체의 공간 분포는 분리 현상의 징후를 보이는가?
• RQ2 동일한 원반에서 먼지(10 μm 복사)와 기체([O i] 6300 Å 복사)의 형태는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 먼지와 기체 간의 구조적 불일치는 입자 크기 증가 및 침강과 같은 물리적 과정을 포함한 원반 진화에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 기체 분포는 패인 원반 형태와 일치하는가? 그리고 먼지 분포와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 HD 101412, HD 135344 B, HD 179218의 세 시스템은 패인 원반에서 평탄한 원반으로의 진화 순서로 해석될 수 있는가?

주요 결과

• HD 101412와 HD 135344 B는 2 AU 이내에서 밀도 높은 10 μm 복사 구조를 보이며, [O i] 복사는 내측 피크(<2 AU)와 외측 피크(5–10 AU)를 가진 이중 피크 형태를 띤다.
• HD 101412와 HD 135344 B에서 주된 먼지 복사 영역 외부에 공간적으로 확장된 PAH 복사 구조가 관측되어 먼지가 없는 표면층이 존재함을 시사한다.
• HD 179218는 약 1 AU와 약 20 AU에 피크를 가진 이중 고리 형태의 10 μm 먼지 복사 구조를 보이며, 3–15 AU 사이에는 감지 가능한 먼지 복사가 없다.
• HD 179218의 [O i] 복사는 더 작고, 3–6 AU 사이에 피크를 보이며, 기체는 패인 형태를 띠지만 외곽 원반에서는 기체 부족 또는 화학적 감소 가능성을 시사한다.
• HD 101412와 HD 135344 B에서 2 AU 이상에서 패인 형태의 기체와 자가그림진 먼지 간의 관측된 불일치는 원형행성형 원반에서 기체-먼지 분리 현상에 대한 첫 번째 직접적 관측 증거를 제공한다.
• 이 세 시스템은 초기에 패인 형태의 원반에서 출발하여 입자 크기 증가, 먼지 침강, 기체-먼지 분리로 인해 평탄한 형태로 진화하는 진화 순서로 해석될 수 있다.