[論文レビュー] Shadows cast on the transition disk of HD 135344B. Multiwavelength VLT/SPHERE polarimetric differential imaging

T. Stolker, C. Dominik+36 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 85被引用数 11

ひとこと要約

多波長 VLT/SPHERE 偏光微分撮影を用いて、本研究では HD 135344B の遷移円盤の未だかつてないほど詳細な構造を明らかにした。外側の円盤に渦巻き状の腕と複数の影の特徴を検出。主な発見は、南西方向に正の表面輝度勾配、赤い偏光円盤色が大きなダスト凝集体を示し、変動する影は一時的な内側円盤の摂動や降着流を示唆する。

ABSTRACT

The protoplanetary disk around the F-type star HD 135344B (SAO 206462) is in a transition stage and shows many intriguing structures both in scattered light and thermal (sub-)millimeter emission which are possibly related to planet formation processes. We study the morphology and surface brightness of the disk in scattered light to gain insight into the innermost disk regions, the formation of protoplanets, planet-disk interactions traced in the surface and midplane layers, and the dust grain properties of the disk surface. We have carried out high-contrast polarimetric differential imaging (PDI) observations with VLT/SPHERE and obtained polarized scattered light images with ZIMPOL in R- and I-band and with IRDIS in Y- and J-band. The scattered light images reveal with unprecedented angular resolution and sensitivity the spiral arms as well as the 25 au cavity of the disk. Multiple shadow features are discovered on the outer disk with one shadow only being present during the second observation epoch. A positive surface brightness gradient is observed in the stellar irradiation corrected images in southwest direction possibly due to an azimuthally asymmetric perturbation of the temperature and/or surface density by the passing spiral arms. The disk integrated polarized flux, normalized to the stellar flux, shows a positive trend towards longer wavelengths which we attribute to large aggregate dust grains in the disk surface. Part of the the non-azimuthal polarization signal in the Uphi image of the J-band observation could be the result of multiple scattering in the disk. The detected shadow features and their possible variability have the potential to provide insight into the structure of and processes occurring in the innermost disk regions.

研究の動機と目的

• 散乱光における HD 135344B の遷移円盤の形態と表面輝度を調査し、内側円盤構造と惑星-円盤相互作用を探る。
• 波長にわたる偏光フラックスの傾向を通じて、円盤表面のダスト粒子の性質を特徴づける。
• 散乱光で検出された影の特徴の起源を説明する。特にその可変性と空間的分布の可能性を検討する。
• 渦巻き状の腕が円盤の非対称性をどのように形作るかを評価し、埋め込まれた原始惑星や重力不安定性との関連を検討する。
• 3次元放射線輸送モデルを用いて、円盤の幾何学的構造と光学特性の文脈で観測された影の特徴と表面輝度の変動を解釈する。

提案手法

• VLT/SPHERE の ZIMPOL および IRDIS 計測器を用いて、R、I、Y、J バンドで高対比偏光微分撮影（PDI）を実施し、星の光を抑えて散乱光信号を強調した。
• 星の放射照射補正と r² スケーリングを Qϕ および Uϕ 画像に適用し、内在する表面輝度変動を分離し、星のフラックスバイアスを低減した。
• 歪みやずれを含む内側円盤成分を含む円盤幾何学的構造を模擬する 3次元放射線輸送モデルを構築し、影の特徴を解釈した。
• 表面輝度プロファイルと偏光マップを分析し、方位的非対称性を特定し、偏光フラックスにおける色勾配を定量化した。
• 多波長偏光フラックス比を用いて、特に 2πa ≥ λ に達する大きな凝集体の存在をテストし、ダスト粒子のサイズ分布を推定した。
• 多重散乱が非方位的偏光信号に与える寄与を評価した。特に J バンドの Uϕ 画像において顕著であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD 135344B の外側円盤に観測された影の特徴の原因は何か。なぜ1つの影は2回目の観測エポックでのみ観測されるのか。
• RQ2 円盤内の渦巻き状の腕が表面輝度と偏光パターンに与える影響は何か。これにより、埋め込まれた原始惑星の存在に何が示唆されるか。
• RQ3 南西方向に観測された正の表面輝度勾配の原因は何か。サブミリ波長連続スペクトルの非対称性とどのように関連しているか。
• RQ4 なぜ円盤が偏光で赤色に見えるのか。これはダスト粒子のサイズと構造にどのような意味を持つのか。
• RQ5 J バンド Uϕ 画像における非方位的偏光信号は、内在的な円盤非対称性ではなく、多重散乱に起因する割合がどの程度か。

主な発見

• 外側円盤に複数の影の特徴が検出された。そのうちの1つ（特徴C）は J バンド観測でのみ観測され、一時的または変動する内側円盤構造を示唆する。
• 星の放射照射補正を施した Qϕ 画像において、南西方向に正の表面輝度勾配が観測された。これはサブミリ波長連続スペクトルの非対称性と一致し、通過する渦巻き状の腕と関連している可能性がある。
• 円盤全体の偏光フラックスは赤色を示し、波長が長くなるにつれて増加しており、これは円盤表面に大きなダスト粒子（2πa ≥ λ）が支配的であることを示し、おそらく凝集体の形をとっていると考えられる。
• J バンド Uϕ 画像における非方位的偏光信号の一部は、モデリングと偏光挙動に基づき、多重散乱に起因すると特定された。内在的な非対称性によるものではない。
• 渦巻き状の腕は、1〜2体の外部原始惑星による説明が最も妥当であるが、1"（80 au）を超える領域ではギャップは検出されず、重力不安定性の可能性は大きな不確実性のもとでわずかな可能性にとどまる。
• 3次元放射線輸送モデルは、22°ずれた内側円盤または内側と外側円盤を接続するねじれの生じた領域が、影の特徴の原因である可能性を支持している。