[论文解读] Constraining the properties of the potential embedded planets in the disk around HD 100546

Max Ackermann Pyerin, Timmy N. Delage+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用 13

一句话总结

本研究利用自校准的ALMA 0.9 mm尘埃连续谱观测，约束了HD 100546原行星盘中两颗嵌入行星的质量和轨道半径。通过结合流体动力学模拟（FARGO3D）与合成观测（RADMC-3D），最佳拟合模型确定了一颗内侧行星位于13 au处，质量为8 MJup，以及一颗外侧行星位于143 au处，质量为3 MJup，且需采用自相似的、指数截断的气体面密度分布以重现外环亮度远低于内环的现象。

ABSTRACT

Context. The protoplanetary disk around the star HD 100546 displays prominent substructures in the form of two concentric rings. Recent observations with the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) have revealed these features with high angular resolution and have resolved the faint outer ring well. This allows us to study the nature of the system further. Aims. Our aim is to constrain some of the properties of potential planets embedded in the disk, assuming that they induce the observed rings and gaps. Methods. We present the self-calibrated $0.9\,$mm ALMA observations of the dust continuum emission from the circumstellar disk around HD 100546. These observations reveal substructures in the disk that are consistent with two rings, the outer ring being much fainter than the inner one. We reproduced this appearance closely with a numerical model that assumes two embedded planets. We varied planet and disk parameters in the framework of the planet-disk interaction code FARGO3D and used the outputs for the gas and dust distribution to generate synthetic observations with the code RADMC-3D. Results. From this comparison, we find that an inner planet located at $r_1 = 13\,$au with a mass $M_1 = 8 M_{ m{Jup}}$ and an outer planet located at $r_2 = 143\,$au with a mass $M_2 = 3 M_{ m{Jup}}$ leads to the best agreement between synthetic and ALMA observations (deviation less than $3\sigma$ for the normalized radial profiles). To match the very low brightness of the outer structure relative to the inner ring, the initial disk gas surface density profile needs to follow an exponentially tapered power law (self-similar solution), rather than a simple power-law profile.

研究动机与目标

• 约束HD 100546原行星盘中潜在嵌入行星的质量与轨道分离距离。
• 确定是单颗还是双颗行星足以重现观测到的亚结构，特别是亮度较弱的外环。
• 探究为匹配内环与外环之间观测亮度比，所需的初始盘面气体面密度分布。
• 评估当前ALMA与直接成像仪器对这类行星的可探测性。

提出的方法

• 使用自校准的0.9 mm ALMA观测数据提取HD 100546的尘埃连续谱辐射并识别亚结构。
• 利用FARGO3D代码进行气体与尘埃的流体动力学模拟，通过改变行星质量与轨道半径来模拟行星-盘相互作用。
• 利用RADMC-3D代码从模拟输出生成合成观测，以模拟类似ALMA的成像条件。
• 通过分析图像形态与径向亮度分布，将模型输出与真实ALMA数据进行比较。
• 测试并发现，自相似的、指数截断的幂律初始气体面密度分布是重现外环低亮度所必需的。
• 通过迭代调整盘粘滞系数（α）、行星质量与轨道位置，使模型与观测径向分布的偏差最小化，完成模型拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些行星质量与轨道半径最能重现HD 100546盘中观测到的亚结构，特别是亮度较弱的外环？
• RQ2 双行星模型能否同时解释内环与外环的形成，还是单颗行星已足够？
• RQ3 为匹配内环与外环之间的观测亮度比，所需的初始盘面气体面密度分布为何种形式？
• RQ4 盘粘滞系数（α）如何影响推断的行星质量与模型拟合质量？
• RQ5 所预测的行星质量是否可被当前ALMA或直接成像仪器探测到？

主要发现

• 合成观测与ALMA观测之间最佳一致性的模型为：内侧行星位于13 au处，质量为8 MJup；外侧行星位于143 au处，质量为3 MJup，其归一化径向分布偏差小于3σ。
• 为重现外环亮度远低于内环的现象，初始气体面密度分布必须遵循自相似的、指数截断的幂律形式。
• 当盘粘滞系数为α = 10⁻³时，外侧行星质量估计为3 MJup；当粘滞系数更低（α = 10⁻⁴）时，质量估计为1.7 MJup。
• 该模型成功再现了外环缺乏方位不对称性的特征，支持行星诱导的压强陷阱机制。
• 推断的行星质量低于当前ALMA的探测极限（对于4 Myr老的系统为33 MJup），因此现有仪器难以实现直接探测。
• 结果与先前从散射光成像（约100 au处的螺旋臂）和分子线观测（约15 AU处的伴星）的研究发现一致，支持存在两颗大质量行星。