[论文解读] Disk evolution in the solar neighborhood. I Disk frequencies from 1 to 100 Myr

Álvaro Ribas, B. Merín+2 more|Dec 2, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用 3

一句话总结

本研究分析了2,340颗光谱确认的年轻恒星（1–100 Myr）在22个邻近星协中的中红外波段过量辐射，以追踪原行星盘的演化。通过统一的SED拟合，发现盘的衰减速率随波长增加而变慢——22–24 μm波段为4.2–5.8 Myr，而3.4–12 μm波段为2–3 Myr，表明外盘尘埃演化更缓慢；原始盘在10–20 Myr内消失，同时演化盘数量上升，与行星形成触发盘清除的理论一致。

ABSTRACT

We study the evolution of circumstellar disks in 22 young (1 to 100 Myr) nearby (within 500 pc) associations over the entire mass spectrum using photometry covering from the optical to the mid-infrared. We compiled a catalog of 2340 spectroscopically-confirmed members of these nearby associations. We analyzed their spectral energy distributions and searched for excess related to the presence of protoplanetary disks in a homogeneous way. Sensitivity limits and spatial completeness were also considered. We derive disk fractions as probed by mid-infrared excess in these regions. The unprecedented size of our sample allows us to confirm the timescale of disk decay reported in the literature and to find new trends. The fraction of excess sources increases systematically if measured at longer wavelengths. Disk percentages derived using different wavelength ranges should therefore be compared with caution. The dust probed at 22-24 um evolves slower than that probed at shorter wavelengths (3.4-12 um). Assuming an exponential decay, we derive a timescale tau=4.2-5.8 Myr at 22-24 um for primordial disks, compared to 2-3 Myr at shorter wavelength (3.4-12 um). Primordial disks disappear around 10 Myr, matching in time a brief increase of the number of 'evolved' disks. The increase in timescale of excess decay at longer wavelength is compatible with inside-out disk clearing scenarios. The increased timescale of decay and larger dispersion in the distribution of disk fractions at 22-24 um suggest that the inner and outer zones evolve differently, the latter potentially following a variety of evolutionary paths. The drop of primordial disks and the coincident rise of evolved disks at 10 Myr are compatible with planet formation theories suggesting that the disappearance of the gas is immediately followed by the dynamical stirring of the disk.

研究动机与目标

• 利用大而统一的样本，研究太阳邻近区1–100 Myr年龄范围内原行星盘的演化。
• 确定盘分数随年龄、波长和恒星质量的变化规律，解决以往研究因样本量小导致的不一致问题。
• 评估盘消散的时间尺度，以及原始盘向演化盘（过渡盘和碎片盘）的转变过程。
• 评估波长对盘分数测量的影响，鉴于不同波段对内盘与外盘区域的敏感性不同。
• 检验行星形成理论的预测，即气体消散与残余物质的动力学扰动相关。

提出的方法

• 整理了来自22个邻近星协（13个恒星形成区，9个年轻星协）中2,340颗光谱确认的年轻恒星的星表，距离小于500 pc。
• 整合了从光学（V波段）到中红外（22–24 μm）的多波段测光数据（如SDSS、DENIS、UKIDSS、WISE、Spitzer、Herschel），用于构建SED。
• 采用统一的谱谱能量分布（SED）拟合方法，识别指示原行星盘存在的红外过量。
• 在所有区域中采用一致的标准定义盘过量，同时考虑探测极限和空间完整性。
• 基于不同波段范围（3.4–12 μm 和 22–24 μm）的过量计算盘分数，并使用指数函数建模衰减过程。
• 根据SED形态和年龄趋势，将盘分类为“原始盘”（含气体）、“过渡盘”或“碎片盘”。

实验结果

研究问题

• RQ1 在邻近星协中，盘分数如何随1–100 Myr的年龄演化？
• RQ2 为何在不同波段（如3.4–12 μm与22–24 μm）测得的盘分数系统性不同？这对盘结构有何含义？
• RQ3 与短波长相比，长波长下盘过量的特征衰减速率是多少？
• RQ4 原始盘向演化盘的转变何时发生？是否与行星形成的启动相关？
• RQ5 观测到的盘演化趋势与由内而外盘清除及行星形成模型的预测如何比较？

主要发现

• 盘分数随观测波长变长而增加，表明长波段过量探测到更广延、更持久的盘组分。
• 22–24 μm波段的盘过量衰减速率（4.2–5.8 Myr）显著长于短波段（3.4–12 μm）的2–3 Myr。
• 原始盘在10–20 Myr之间消失，同时演化盘（过渡盘和碎片盘）数量短暂上升。
• 22–24 μm波段的盘分数随年龄分布的离散度大于短波段，表明外盘区域演化更具变异性。
• 长波段更长的衰减速率和更大的离散度支持由内而外的清除情景，即内盘率先消散。
• 原始盘与演化盘分数之间的负相关性支持行星形成触发盘清除及后续残余物质动力学扰动的假设。