[论文解读] Ruling out unresolved binaries in five transitional disks VLT/NACO: deep 2.12 and 1.75 {\mu}m narrow-band imaging

S. Vicente, B. Merín+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 11

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/NACO的深近红外窄带成像，排除了在五颗演化过渡盘（DoAr 21、HD 135344B、HR 4796A、T Cha、TW Hya）的0.1–7角秒范围内存在未分辨的恒星或亚恒星伴星的可能性。通过应用LOCI算法抑制光斑噪声并减去点扩散函数（PSF），观测对比度比经典方法更深0.5–1.5 mag，排除了内空洞区域中对比度达2–5 mag的伴星，以及在DoAr 21中半径>76 AU处质量约为13 MJup的伴星，从而将内空洞的成因限制在行星形成、尘埃增长或光致蒸发，而非双星截断机制。

ABSTRACT

Aims. We aim at detecting the presence of companions inside the inner hole/gap region of a sample of five well known transitional disks using spatially-resolved imaging in the near-IR with the VLT/NACO/S13 camera, which probes projected distances from the primary of typically 0.1 to 7 arcsec. The sample includes the stars DoAr 21, HD 135344B (SAO 206462), HR 4796A, T Cha, and TW Hya, spanning ages of less than 1 to 10 Myr, spectral types of A0 to K7, and hole/gap outer radii of 4 to 100 AU. Methods. In order to enhance the contrast and to avoid saturation at the core of the point-spread function (PSF), we use narrow-band filters at 1.75 and 2.12 {\mu}m. The "locally optimized combination of images" (LOCI) algorithm is applied for an optimal speckle noise removal and PSF subtraction, providing an increase of 0.5-1.5 mag in contrast over the classic method. Results. With the proviso that we could have missed companions owing to unfavorable projections, the VLT/NACO observations rule out the presence of unresolved companions down to an inner radius of about 0".1 from the primary in all five transitional disks and with a detection limit of 2 to 5 mag in contrast. In the disk outer regions the detection limits typically reach 8 to 9 mag in contrast and 4.7 mag for T Cha. Hence, the NACO images resolve part of the inner hole/gap region of all disks with the exception of TW Hya, for which the inner hole is only 4 AU. The 5{\sigma} sensitivity profiles, together with a selected evolutionary model, allow to discard stellar companions within the inner hole/gap region of T Cha, and down to the substellar regime for HD 135344B and HR 4796A. DoAr 21 is the only object from the sample of five disks for which the NACO images are sensitive enough for a detection of objects less massive than \sim 13 MJup that is, potential giant planets or low-mass brown dwarfs at radii larger than \sim 76 AU (0".63).

研究动机与目标

• 主要目标是检验未分辨的双星伴星是否能解释演化过渡盘中观测到的内层消光空洞。
• 本研究旨在排除近距离恒星或亚恒星伴星作为五颗著名演化过渡盘内清空内孔的成因。
• 旨在利用高对比度自适应光学成像，确定内盘区域（0.1–7角秒）伴星的探测极限。
• 研究旨在约束可能形成空隙的潜在伴星的质量与轨道半径范围，从而缩小其他形成机制的可能性。

提出的方法

• 使用甚大望远镜/NACO仪器搭载S13相机，在1.75和2.12 µm波段进行深窄带成像，探测投影距离为0.1至7角秒的范围。
• 应用LOCI（局部优化图像组合）算法以抑制光斑噪声并减去点扩散函数（PSF），相比经典PSF减去法，对比度提升0.5–1.5 mag。
• 观测采用自适应光学校正以实现衍射极限分辨率，且对PSF定标星进行了观测，以实现精确的PSF重建。
• 探测极限基于5σ灵敏度曲线推导，并利用演化模型将对比度极限转换为伴星的质量极限。
• 分析包括多个观测历元和滤波器，以提高动态范围并减少假阳性信号。
• 本研究将NACO数据与档案数据结合，并利用谱谱能量分布（SED）建模，评估双星伴星的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未分辨的双星伴星能否解释演化过渡盘中观测到的内空洞？
• RQ2 在这些盘的内空洞/间隙区域，可被排除的伴星最小质量是多少？
• RQ3 NACO观测在多大程度上排除了恒星或亚恒星伴星作为清空区域成因的可能性？
• RQ4 探测极限与行星形成或光致蒸发机制的理论预期相比如何？
• RQ5 观测能否排除内盘区域中行星质量范围伴星的存在？

主要发现

• VLT/NACO观测在所有五颗演化过渡盘中均排除了主星0.1角秒范围内的未分辨伴星，内区对比度探测极限为2.2–4.9 mag。
• 在外盘区域，对比度探测极限达到7.7–9.3 mag，其中T Cha的极限为4.7 mag。
• 观测结果排除了质量超过0.11 M⊙的恒星伴星（最远至~5.5 AU，即0.1角秒）、质量达棕矮星量级的伴星（最远至~7 AU，即0.13角秒），以及质量达行星量级的伴星（最远至~13 AU，即0.24角秒）。
• 对于DoAr 21，NACO数据对半径大于~76 AU（0.63角秒）处质量小于~13 MJup的伴星具有敏感性，使其成为本样本中唯一具备探测此类低质量天体能力的天体。
• 结果表明，DoAr 21和HR 4796A的内空洞不太可能是由双星的潮汐截断造成，更倾向于支持巨行星形成、高效尘埃增长或光致蒸发等替代机制。
• 本研究证实，NACO成像对所探测整个盘区（0.1–7.0角秒）内的亚恒星伴星具有敏感性，并对超过~10 AU（0.18角秒）区域的行星质量天体具有敏感性，尤其在对TW Hya采用更新的年轻年龄估计后更为显著。