[论文解读] Dust dissipation timescales in the intermediate and outer regions of protoplanetary disks

Hiroshi Maeshima, Takao Nakagawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 64被引用 3

一句话总结

本研究利用WISE和AKARI红外巡天数据对4,783颗T Tauri恒星进行叠加分析，估算原行星盘中间区域（1 au）和外区（10 au）的尘埃消散 timescale。通过将恒星划分为年轻（<2 Myr）、中等年龄（2–6 Myr）和年老（>6 Myr）三组，作者得出中间盘区域12 µm的尘埃消散timescale为1.4±0.2 Myr，外盘区域90 µm的尘埃消散timescale为1.4+0.6/−0.5 Myr，表明两个区域的消散timescale几乎相同，支持由内向外的盘清除模型。

ABSTRACT

Dust and gas in protoplanetary disks dissipate as central stars evolve. In order to estimate the dust dissipation timescales in the protoplanetary disks, we stacked the WISE 12, 22, and the AKARI 90 $\mu$m survey images of known T Tauri stars and derived the average fluxes, well below the survey flux limit in the 90 $\mu$m band. We classified 4,783 T Tauri stars into three age groups, which are young ($<$2 Myr), mid-age (2-6 Myr), and old ($>$6 Myr) groups, and stacked the WISE 12 and 22 and the AKARI 90 $\mu$m images in each group. The photometry of the stacked image shows the flux decay timescales of 1.4$\pm$0.2, 1.38$\pm$0.05, and 1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the 12, 22, and 90 $\mu$m bands, respectively. In optically thin disks with one-solar luminosity central stars, the 12 and 22 $\mu$m fluxes are attributed to the emission from the intermediate ($\sim$ 1 au) region and the 90 $\mu$m flux corresponds to that from the outer ($\sim$ 10 au) region in the disk. We hence conclude the dust dissipation timescale is $ au_{ m med,dust}\sim$1.4 Myr in the intermediate disks and is $ au_{ m outer, dust}=$1.4$^{+0.6}_{-0.5}$ Myr in the outer disks. The dust-dissipation time difference between the outer and intermediate disks is $\Delta au_{ m dust} = au_{ m outer,dust} - au_{ m med,dust}=0.0^{+0.6}_{-0.5}$ Myr, indicating that the dust in the intermediate and outer disks dissipates on almost the same timescale.

研究动机与目标

• 量化原行星盘中间区和外区的尘埃消散timescale，这些区域目前在观测上仍缺乏约束。
• 通过应用叠加分析，克服远红外巡天灵敏度低的问题，以检测低于单个巡天探测极限的微弱、演化后的盘。
• 检验外区和中间区的尘埃是否以相同的timescale消散，这与由内向外清除模型的预测一致。
• 评估距离和恒星质量分布偏差对推导出的消散timescale的影响。

提出的方法

• 对4,783颗T Tauri恒星的叠加WISE 12 µm、22 µm和AKARI 90 µm图像，以检测低于单个巡天探测极限的平均流量。
• 基于估算的年龄，将T Tauri恒星划分为三组：年轻（<2 Myr）、中等年龄（2–6 Myr）和年老（>6 Myr）。
• 在叠加图像上执行测光，测量平均流量，并拟合指数衰减曲线以推导流量衰减timescale。
• 使用每组的平均距离对流量进行距离校正，并评估其对衰减timescale估计的影响。
• 评估各年龄组之间恒星颜色（GBP−GRP）分布可能带来的偏差，以确保结果的稳健性。
• 使用统计分析比较衰减timescale，并评估不同区域之间差异的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘中间区域（~1 au）的尘埃消散timescale是多少？
• RQ2 原行星盘外区区域（~10 au）的尘埃消散timescale是多少？
• RQ3 中间区和外区的尘埃消散timescale是否存在显著差异？
• RQ4 距离和恒星质量分布偏差如何影响推导出的消散timescale？
• RQ5 观测到的流量演化是否在所有年龄组中均与指数衰减模型一致？

主要发现

• 中间盘区域（12 µm辐射）的尘埃消散timescale为1.4±0.2 Myr。
• 外盘区域（90 µm辐射）的尘埃消散timescale为1.4+0.6/−0.5 Myr。
• 外盘与中间盘之间尘埃消散timescale的差异为∆τdust = 0.0+0.6/−0.5 Myr，表明其在误差范围内一致。
• 各年龄组之间的距离偏差影响可忽略不计，校正后衰减timescale平均仅减少约5%。
• 恒星颜色（GBP−GRP）分布偏差可忽略，因平均颜色差异小于三倍标准误。
• 年老组中观测到的22 µm流量过剩可能源于年轻碎片盘的次级尘埃，或流量演化的非指数衰减行为。