[논문 리뷰] Multiple gaps with large grain deficit in the protoplanetary disk around TW Hya

Takashi Tsukagoshi, Hideko Nomura외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

고해상도 ALMA 관측을 통해 TW Hya 원행 星 Disk에서 6, 22, 28, 37, 44 au에서 다수의 갭을 확인하였으며, 특히 22 au 갭에서는 먼지 투과율 지수 β ≈ 1.7로 증가하여 mm 크기의 먼지 입자가 부족한 것으로 나타나, 저질량 행성에 의해 유도된 먼지 여과 작용일 가능성이 있다. 이 Disk의 구조는 내부 빈자리와 갭이 존재하는 것으로 설명되며, 이는 저질량 행성(≤1.5 Neptune 질량 이하) 또는 사방의 융합을 통한 먼지 처리에 의한 것으로 보이며, 약한 정현파 형태의 구조는 동역학적 불안정성을 시사한다.

ABSTRACT

We report $\sim$3 au resolution imaging observations of the protoplanetary disk around TW Hya at 138 and 230 GHz with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Our observations revealed two deep gaps ($\sim$25--50 %) at 22 and 37 au and shallower gaps (a few %) at 6, 28, and 44 au, as recently reported by Andrews et al. (2016). The central hole with a radius of $\sim3$ au was also marginally resolved. The most remarkable finding is that the power-law index of the dust opacity $\beta$, derived from the spectral index $\alpha$ between bands 4 and 6, peaks at the 22 au gap with $\beta\sim1.7$ and decreases toward the disk center to $\beta\sim0$. Our model fitting suggests that the overall disk structure can be reproduced with the inner hole and the gaps at 22 and 37 au. The most prominent gap at 22~au could be caused by the gravitational interaction between the disk and an unseen planet with a mass of $\lesssim$1.5 $M_\mathrm{Neptune}$ although other origins may be possible. The planet-induced gap is supported by the fact that $\beta$ is enhanced at the 22 au gap, indicating a deficit of $\sim$mm-sized grains within the gap due to dust filtration by a planet. Alternatively, the destruction of large dust aggregates due to the sintering of major volatiles might cause the multiple ring structure. We also find weak sinusoidal patterns with wavelengths of 5--10 au, which may be related to dynamical instabilities within the disk.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 밀리미터파 영상 기반으로 TW Hya 원행 星 Disk의 다수 갭 기원을 조사하기 위해.
• 관측된 먼지 투과율 변화, 특히 22 au에서의 피크 β ≈ 1.7이 숨겨진 행성에 의한 먼지 여과를 나타내는지 확인하기 위해.
• 링 형태의 구조에 대해 먼지 처리 과정인 비휘발성 물질의 융합을 통한 대안적 설명을 평가하기 위해.
• Disk 표면 밝기에서 관측된 약한 정현파 패턴의 존재 및 기원을 조사하기 위해.

제안 방법

• 아타카마 대형 밀리미터/서미터파 어레이(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, ALMA)를 사용하여 138 및 230 GHz에서 3 au 해상도의 영상 촬영을 수행하였다.
• 밴드 4와 6 사이의 스펙트럼 기울기 α를 측정하여 Disk 전역에서 먼지 투과율의 거듭제곱 법칙 지수 β를 유도하였다.
• 관측된 강도 프로파일을 재현하기 위해 내부 빈자리와 다수 갭을 포함한 물리적 Disk 모델을 피팅하였다.
• β의 공간적 변동성을 분석하여 입자 크기 분포 및 먼지 진화 과정을 추론하였다.
• 5–10 au 파장 범위의 약한 정현파 형태의 밝기 변동을 식별하였다.
• 관측된 링 형태의 구조에 대해 행성에 의한 갭 형성과 먼지 융합을 통한 대안 메커니즘 간의 경쟁적 기여를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TW Hya Disk에서 두드러진 22 au 갭은 무엇에 의해 발생하며, 저질량 행성의 중력적 교란과 일치하는가?
• RQ2 왜 22 au 갭에서 먼지 투과율 지수 β가 ≈1.7로 증가하였으며, 이는 국소적 입자 크기 분포에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 다수 갭과 링 형태의 구조는 비휘발성 응집체의 융합을 통한 먼지 진화 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 5–10 au 파장 범위에서 관측된 약한 정현파 형태의 밝기 패턴은 무엇에 기인하는가?
• RQ5 내부 빈자리와 세 개의 주요 갭(22, 37, 28 au)을 포함한 Disk 모델이 ALMA 관측을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 22 au와 37 au에서 먼지 표면 밀도가 25–50% 감소한 깊은 갭 두 개를 확인하였으며, 6, 28, 44 au에서는 얕은 갭을 관측하였다.
• 22 au 갭에서 먼지 투과율 지수 β가 ≈1.7로 피크를 이뤘고, 중심으로 갈수록 감소하여 β ≈ 0에 도달함으로써 mm 크기의 먼지 입자가 현저히 부족함을 시사한다.
• 관측된 Disk 구조는 약 3 au 반경의 내부 빈자리와 22 au 및 37 au 갭을 포함한 모델에 의해 가장 잘 재현된다.
• 22 au에서의 β 증가는 질량 ≤1.5 Neptune 질량의 행성이 존재함으로써 유도된 먼지 여과 이론을 지지한다.
• 5–10 au 파장 범위의 약한 정현파 형태의 밝기 변동은 Disk 내부의 동역학적 불안정성 존재를 시사한다.
• 비휘발성 물질의 기화에 의해 큰 먼지 응집체가 융합되는 과정과 같은 대안적 설명도 관측된 링 형태의 구조에 기여할 수 있다.