[论文解读] Multiple gaps with large grain deficit in the protoplanetary disk around TW Hya

Takashi Tsukagoshi, Hideko Nomura+8 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

高分辨率ALMA对TW Hya原行星盘的观测揭示了在6、22、28、37和44 au处存在多个空隙，其中22 au处的显著空隙表现出增强的尘埃消光指数β ≈ 1.7，表明毫米级尘粒明显缺失，可能由行星诱导的尘埃过滤所致。该盘的结构最合理的解释是内侧空洞及由低质量行星（≤1.5 Neptune质量）或通过烧结作用引起的尘埃演化所导致的空隙，微弱的正弦形结构暗示存在动力学不稳定性。

ABSTRACT

We report $\sim$3 au resolution imaging observations of the protoplanetary disk around TW Hya at 138 and 230 GHz with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Our observations revealed two deep gaps ($\sim$25--50 %) at 22 and 37 au and shallower gaps (a few %) at 6, 28, and 44 au, as recently reported by Andrews et al. (2016). The central hole with a radius of $\sim3$ au was also marginally resolved. The most remarkable finding is that the power-law index of the dust opacity $\beta$, derived from the spectral index $\alpha$ between bands 4 and 6, peaks at the 22 au gap with $\beta\sim1.7$ and decreases toward the disk center to $\beta\sim0$. Our model fitting suggests that the overall disk structure can be reproduced with the inner hole and the gaps at 22 and 37 au. The most prominent gap at 22~au could be caused by the gravitational interaction between the disk and an unseen planet with a mass of $\lesssim$1.5 $M_\mathrm{Neptune}$ although other origins may be possible. The planet-induced gap is supported by the fact that $\beta$ is enhanced at the 22 au gap, indicating a deficit of $\sim$mm-sized grains within the gap due to dust filtration by a planet. Alternatively, the destruction of large dust aggregates due to the sintering of major volatiles might cause the multiple ring structure. We also find weak sinusoidal patterns with wavelengths of 5--10 au, which may be related to dynamical instabilities within the disk.

研究动机与目标

• 利用高分辨率毫米波成像研究TW Hya原行星盘中多重空隙的成因。
• 确定观测到的尘埃消光指数变化，特别是22 au处β ≈ 1.7的峰值，是否表明隐藏行星导致的尘埃过滤。
• 评估其他解释，如挥发性物质烧结导致的尘埃演化，对环状结构的影响。
• 检查盘面表面亮度中微弱正弦形图案的存在及其成因。

提出的方法

• 使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）在138 GHz和230 GHz波段进行3 au分辨率的成像。
• 测量波段4与6之间的谱指数α，以推导盘中各处的尘埃消光幂律指数β。
• 拟合一个包含内侧空洞及多个空隙的物理盘模型，以重现观测到的亮度分布。
• 分析β的空间变化，以推断尘粒大小分布及尘埃演化过程。
• 识别出亮度分布中波长为5–10 au的微弱正弦调制。
• 评估竞争机制——行星诱导空隙与尘埃烧结——对观测到的环状结构的解释能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 TW Hya盘中显著的22 au空隙由何引起，是否与低质量行星的引力扰动一致？
• RQ2 为何在22 au空隙处尘埃消光指数β增强至≈1.7，这对局部尘粒大小分布有何含义？
• RQ3 观测到的多重空隙及环状结构能否由尘埃演化过程（如富含挥发性物质的尘埃聚集体烧结）解释？
• RQ4 在盘中观测到的波长为5–10 au的微弱正弦形亮度图案的成因是什么？
• RQ5 一个包含内侧空洞及三个主要空隙（位于22、37和28 au）的盘模型，能多好地重现ALMA观测结果？

主要发现

• 在22 au和37 au处检测到两个深度空隙，其尘埃面密度减少25–50%，在6、28和44 au处存在较浅的空隙。
• 在22 au空隙处，尘埃消光指数β达到峰值≈1.7，并向中心递减，最低达β ≈ 0，表明毫米级尘粒显著缺失。
• 观测到的盘结构最能通过包含约3 au半径内侧空洞及22 au和37 au处空隙的模型重现。
• 22 au处β的增强支持了由质量≤1.5 Neptune质量的行星诱导尘埃过滤的假说。
• 波长为5–10 au的微弱正弦形亮度调制暗示盘中存在动力学不稳定性。
• 其他解释，如挥发性物质升华导致大尺寸尘埃聚集体烧结，也可能对观测到的环状结构有所贡献。