[论文解读] Shadows cast on the transition disk of HD 135344B. Multiwavelength VLT/SPHERE polarimetric differential imaging

T. Stolker, C. Dominik+36 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 85被引用 11

一句话总结

利用多波段甚大望远镜/SPHERE偏振差分成像，本研究揭示了HD 135344B周围原行星盘前所未有的细节，检测到外盘中的螺旋臂和多个阴影特征。主要发现包括：西南方向呈现正表面亮度梯度，红偏振盘颜色表明存在大尺寸尘埃团簇，以及阴影的可变性暗示了内盘的瞬态扰动或吸积流。

ABSTRACT

The protoplanetary disk around the F-type star HD 135344B (SAO 206462) is in a transition stage and shows many intriguing structures both in scattered light and thermal (sub-)millimeter emission which are possibly related to planet formation processes. We study the morphology and surface brightness of the disk in scattered light to gain insight into the innermost disk regions, the formation of protoplanets, planet-disk interactions traced in the surface and midplane layers, and the dust grain properties of the disk surface. We have carried out high-contrast polarimetric differential imaging (PDI) observations with VLT/SPHERE and obtained polarized scattered light images with ZIMPOL in R- and I-band and with IRDIS in Y- and J-band. The scattered light images reveal with unprecedented angular resolution and sensitivity the spiral arms as well as the 25 au cavity of the disk. Multiple shadow features are discovered on the outer disk with one shadow only being present during the second observation epoch. A positive surface brightness gradient is observed in the stellar irradiation corrected images in southwest direction possibly due to an azimuthally asymmetric perturbation of the temperature and/or surface density by the passing spiral arms. The disk integrated polarized flux, normalized to the stellar flux, shows a positive trend towards longer wavelengths which we attribute to large aggregate dust grains in the disk surface. Part of the the non-azimuthal polarization signal in the Uphi image of the J-band observation could be the result of multiple scattering in the disk. The detected shadow features and their possible variability have the potential to provide insight into the structure of and processes occurring in the innermost disk regions.

研究动机与目标

• 通过散射光研究HD 135344B原行星盘的形态与表面亮度，以探测内盘结构及行星-盘相互作用。
• 通过不同波长下偏振流量趋势表征盘表面的尘埃颗粒特性。
• 解释在散射光中检测到的阴影特征的成因，特别是其可变性与空间分布的潜在原因。
• 评估螺旋臂在塑造盘不对称性中的作用，并探讨其与嵌入原行星或引力不稳定性之间的可能关联。
• 利用三维辐射转移建模，在盘几何结构与光学厚度的背景下解释观测到的阴影特征与表面亮度变化。

提出的方法

• 在R、I、Y和J波段利用甚大望远镜/SPHERE的ZIMPOL与IRDIS仪器进行高对比度偏振差分成像（PDI），以抑制恒星光晕并增强散射光信号。
• 对Qϕ和Uϕ图像应用恒星辐照度校正与r²归一化，以分离本征表面亮度变化并减少恒星光通量偏差。
• 构建三维辐射转移模型以模拟盘几何结构，包括倾斜或扭结的内盘组分，以解释阴影特征。
• 分析表面亮度剖面与偏振图，识别方位不对称性并量化偏振流量中的颜色梯度。
• 利用多波段偏振流量比推断尘埃颗粒大小分布，特别检验是否存在大尺寸（2πa ≥ λ）团簇颗粒。
• 评估多次散射对非方位偏振信号的贡献，尤其关注J波段Uϕ图像中的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 135344B外盘中观测到的阴影特征由何引起？为何其中一个阴影仅在第二次观测时相位出现？
• RQ2 盘中的螺旋臂如何影响表面亮度与偏振图案？其对嵌入原行星存在的暗示为何？
• RQ3 西南方向为何出现正表面亮度梯度？其与亚毫米波连续成分不对称性的关联为何？
• RQ4 为何盘在偏振光下呈现红色？这对其表面尘埃颗粒的尺寸与结构有何含义？
• RQ5 J波段Uϕ图像中非方位偏振信号在多大程度上源于多次散射，而非盘本身的内在不对称性？

主要发现

• 在外盘中检测到多个阴影特征，其中一个阴影（特征C）仅在J波段观测中出现，表明内盘结构具有瞬态或可变性。
• 在恒星辐照度校正后的Qϕ图像中，西南方向观测到正表面亮度梯度，与亚毫米波连续成分的不对称性一致，可能与经过的螺旋臂有关。
• 盘整体偏振流量呈红色，随波长增加而增强，表明盘表面主导为大尺寸尘埃颗粒（2πa ≥ λ），可能以团簇形式存在。
• 基于建模与偏振行为，J波段Uϕ图像中部分非方位偏振信号归因于多次散射，而非盘的内在不对称性。
• 螺旋臂最合理的解释为一个或两个外部原行星的引力作用，尽管在1"（80 au）之外未检测到间隙，引力不稳定性在大不确定度下仍为边缘可能性。
• 三维辐射转移模型支持内盘倾斜约22°或存在连接内盘与外盘组分的扭结区域作为阴影特征的可能成因。