[论文解读] Search for substellar-mass companions and asymmetries in their parent discs

Matthew Willson, Stefan Kraus+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 63被引用 8

一句话总结

本研究利用凯克/NIRC2稀疏孔径掩模干涉测量法，在八个过渡盘中搜寻亚恒星质量伴星和盘面不对称性。在四个系统中检测到显著的不对称性，其中三个与点源伴星一致；在FP Tau中解析出此前未见的约10 au处的内盘壁，并将伴星质量-吸积率乘积约束在$10^{-5}-10^{-3}M_J^2\,\text{yr}^{-1}$之间，为这些系统中正在进行的行星形成提供了证据。

ABSTRACT

Transitional discs are a class of circumstellar discs around young stars with extensive clearing of dusty material within their inner regions on 10s of au scales. One of the primary candidates for this kind of clearing is the formation of planet(s) within the disc that then accrete or clear their immediate area as they migrate through the disc. Our sample included eight transitional discs. Using the Keck/NIRC2 instrument we utilised the Sparse Aperture Masking (SAM) interferometry technique to search for asymmetries indicative of ongoing planet formation. We searched for close-in companions using both model fitting and interferometric image reconstruction techniques. Using simulated data, we derived diagnostics that helped us to distinguish between point sources and extended asymmetric disc emission. In addition, we investigated the degeneracy between the contrast and separation that appear for marginally resolved companions. We found FP Tau to contain a previously unseen disc wall, and DM Tau, LkHa 330, and TW Hya to contain an asymmetric signal indicative of point source-like emission. We placed upper limits on the contrast of a companion in RXJ1842.9-3532 and V2246 Oph. We ruled the asymmetry signal in RXJ1615.3-3255 and V2062 Oph to be false positives. In the cases where our data indicated a potential companion we computed estimates for the value of $M_c \dot M_c$ and found values in the range of $10^{-5} - 10^{-3} M^2_J yr^{-1}$. We found significant asymmetries in four targets. Of these, three were consistent with companions. We resolved a previously unseen gap in the disc of FP Tau extending inwards from approximately 10 au.

研究动机与目标

• 调查过渡盘中的不对称性是否由动力学诱导结构引起，或由嵌入的亚恒星质量伴星引起。
• 利用高分辨率干涉测量技术检测并表征过渡盘中的近邻伴星。
• 使用模拟数据和诊断工具，区分点源伴星与扩展的不对称盘面发射。
• 量化干涉观测中伴星对比度与分离度之间的退化关系。
• 估算潜在伴星的$M_c\dot{M}_c$质量-吸积率乘积，为行星形成过程提供约束。

提出的方法

• 对八个过渡盘目标应用凯克/NIRC2的稀疏孔径掩模（SAM）干涉测量法，以检测亚AU尺度的伴星和盘面不对称性。
• 使用模型拟合和干涉成像重建技术，识别点状发射和不对称的亮度分布。
• 利用模拟数据开发诊断工具，以区分点源与扩展盘面发射，特别是在信噪比较低的情况下。
• 通过闭合相位和基线投影构建对比度与分离度的退化图，对小相位角采用解析近似。
• 利用最短投影基线追踪小分离度下的退化轮廓，提高在衍射极限附近的灵敏度。
• 采用显著性阈值σ > 4.0判断伴星的检测或未检测，通过一致性检查排除假阳性结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的过渡盘中的不对称性是否源于嵌入的亚恒星质量伴星，还是源于动力学诱导的盘结构？
• RQ2 稀疏孔径掩模干涉测量法能否解析出过渡盘中此前未被探测到的盘特征，如内壁或空隙？
• RQ3 在干涉数据中，对勉强分辨的伴星，其对比度与分离度之间的退化关系是什么？如何对其进行建模？
• RQ4 在DM Tau、LkHα 330、TW Hya和FP Tau中检测到的不对称性是否与低质量伴星的存在一致，而非盘面形态？
• RQ5 潜在伴星的$M_c\dot{M}_c$推断值是多少？它们对正在进行的吸积和行星形成过程有何含义？

主要发现

• 在FP Tau中解析出此前未见的内盘壁，其向内延伸至约10 au，表明盘中存在显著的结构特征。
• 在DM Tau、LkHα 330和TW Hya中检测到与点状伴星一致的不对称性，其对比度分别为6.8±0.3等星、5.6±0.2等星和5.6±0.2等星。
• RXJ1615.3-3255和V2062 Oph中的不对称性被排除为假阳性，因其显著性较低且相位行为不一致。
• 对RXJ1842.9-3532和V2246 Oph的伴星对比度给出了上限，分别为5.5±0.2等星和4.3±0.5等星，表明无显著检测结果。
• 潜在伴星的$M_c\dot{M}_c$值推断范围为$10^{-5}$至$10^{-3}M_J^2\,\text{yr}^{-1}$，与正在形成行星的吸积过程一致。
• 本研究证明，在退化建模中使用最短基线可提高对靠近衍射极限的近邻伴星的灵敏度，从而增强检测能力。