[论文解读] The complex structure of the disk around HD100546: the inner few astronomical units

M. Benisty, E. Tatulli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 32被引用 59

一句话总结

本研究利用VLTI/AMBER和MIDI干涉测量，结合三维蒙特卡罗辐射转移模型，揭示了1000万年历史的赫比格Be型恒星HD 100546周围存在一个复杂且具有间隙结构的原行星盘。研究识别出在约0.26 AU处存在一个由微米级尘埃构成的稀薄内盘，其中40%的K波段辐射源自散射；同时确认了一个质量巨大、呈扇形展开的外盘，具有垂直方向的尘埃分层结构，与颗粒生长和沉降一致，而间隙延伸至约13 AU，其内部总尘埃质量约为6×10²³ g。

ABSTRACT

Disclosing the structure of disks surrounding Herbig AeBe stars is important to expand our understanding of the formation and early evolution of stars and planets. We aim at revealing the sub-AU disk structure around the 10 Myr old Herbig Be star HD100546 and at investigating the origin of its near and mid-infrared excess. We used AMBER/VLTI observations to resolve the K-band emission and to constrain the location and composition of the hot dust in the innermost disk. Combining AMBER observations with photometric and MIDI/VLTI measurements from the litterature, we revisit the disk geometry using a passive disk model based on 3D radiative transfer. We propose a model that includes a tenuous inner disk made of micron-sized dust grains, a gap, and a massive optically thick outer disk, that successfully reproduces the interferometric data and the SED. We locate the bulk of the K-band emission at ~0.26 AU. Assuming that this emission originates from silicate, we show that micron-sized grains are required to enable the dust to survive at such a distance from the star. As a consequence, more than 40% of the K-band flux is related to scattering, showing that direct thermal emission is not sufficient to explain the near-infrared excess. In the massive outer disk, large grains in the mid-plane are responsible for the mm emission while a surface layer of small grains allows the mid and far infrared excesses to be reproduced. Such vertical structure may be an evidence for sedimentation. The observations are consistent with a model that includes a gap until ~13 AU and a total dust mass of ~0.008 lunar mass inside it. These values together with the derived scale height (~2.5 AU) and temperature (~220 K) at the inner edge of the outer disk (r=13 AU), are consistent with recent CO observations.

研究动机与目标

• 解析HD 100546周围原行星盘在亚AU尺度上的结构，以理解在高温高密度环境中行星形成的过程。
• 解释光谱能量分布（SED）中出现的中红外过量强而近红外过量弱这一反常现象，该现象在赫比格AeBe星中不具典型性。
• 利用干涉测量和光度测量数据，确定内盘的几何结构、尘埃成分及径向密度分布。
• 探究在演化后的盘中是否存在尘埃垂直分层（沉降）和颗粒生长现象。
• 通过一个物理自洽的三维辐射转移模型，约束尘埃质量、间隙尺寸及内盘结构。

提出的方法

• 利用新的AMBER/VLTI K波段干涉测量数据，解析亚AU尺度上的最内层盘结构。
• 将AMBER数据与档案光度测量及MIDI/VLTI测量相结合，以约束完整的光谱能量分布（SED）。
• 应用包含完全各向异性散射的三维蒙特卡罗辐射转移模型，模拟具有径向和垂直结构的盘中尘埃的发射与散射。
• 将盘建模为三组分系统：一个由微米级颗粒构成的稀薄内盘、一个从~0.26 AU至~13 AU的间隙，以及一个质量巨大、呈扇形展开且具有垂直分层结构的外盘。
• 利用模型重现干涉可见度及SED，包括近红外、中红外和远红外过量。
• 通过调整颗粒大小分布（0.05–3000 µm）、标高及尘埃质量，寻找与观测一致的最佳拟合配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 100546周围原行星盘的径向与垂直结构如何，特别是在前几个天文单位内？
• RQ2 为何HD 100546表现出强烈的中红外过量但近红外过量微弱？其背后的物理过程是什么？
• RQ3 近红外过量在多大程度上源于热辐射，而非热辐射？
• RQ4 是否存在颗粒生长与垂直沉降（沉降）的证据？其对观测到的SED和干涉特征有何影响？
• RQ5 盘中间隙的尺寸是多少？内腔内的总尘埃质量是多少？

主要发现

• K波段辐射的大部分来源于约0.26 AU处的稀薄内盘，该位置处于硅酸盐颗粒的尘埃亚临界半径（约1500 K）。
• 超过40%的K波段辐射来自散射，表明仅靠热辐射无法解释近红外过量，必须存在微米级颗粒以维持该距离处的稳定性。
• 盘模型包含一个从~0.26 AU延伸至~13 AU的间隙，外盘从~13 AU开始，其内边缘标高约为~2.5 AU，与CO观测结果一致。
• 外盘在中平面含有大颗粒（负责毫米波发射），表面层则含有小颗粒（负责中红外和远红外过量），表明存在与颗粒生长和沉降一致的垂直尘埃分层结构。
• 间隙内总尘埃质量约为~6×10²³ g（约0.008个月球质量），气体与尘埃质量比约为~50，高于以往估计值，且高度依赖于模型设定。
• 该模型与先前观测结果一致，包括STIS H₂和[OI]谱线数据，支持中心空腔延伸至~13 AU；同时与CO观测结果一致，显示在~11–13 AU处存在空洞。