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围绕邻近K型矮星的尘埃盘

(由于是现学现卖,文章在翻译和一些概念上出现了问题,非常感谢Arizona大学孟奂同学为我们纠正了这些错误,并且帮我们更好的介绍了一下尘埃盘的概念,我们特地把这部分内容附在了文章末尾,请大家注意阅读!最后,虽然我们是抛砖引玉,但总扔砖头必经不好,还是鼓励大家多拿出勇气和尝试精神来分享和讨论!)

(上周三在Caltech听了关于Debris Disk的报告后发现相关的观测研究非常的有趣,随手找了一篇近期的观测文章简单的介绍一下这个领域,我个人对恒星,行星形成的了解是极其有限的,权当抛砖引玉吧。在延伸阅读部分,我尽可能多的总结了一些我个人认为不错的综述和入门性资料,希望能对感兴趣的同学有帮助)

标题:Hubble and Spitzer Space Telescope Observations of the Debris Disk around the Nearby K Dwarf HD 92945
作者:D. A. Golimowski, J. E. Krist, K. R. Stapelfeldt, C. H. Chen, D. R. Ardila, G. Bryden, M. Clampin, H. C. Ford, G. D. Illingworth, P. Plavchan, G. H. Rieke, K. Y. L. Su
论文索引:astro-ph:1105.0888
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

什么是Debris Disk?:

很多恒星周围都有星周盘 ( Circumstellar Disk ) 的存在,当盘的宿主恒星的年龄超过了盘中尘埃的寿命的时侯,这种盘往往被称为残骸盘 ( Debris Disk )。这种特殊的星周盘们尤其吸引天文学家的目光的原因是,其存在不仅反应了恒星形成的过程,更为行星系统的的形成提供了证据,简单的说,行星形成的过程会在恒星周围的固体物质 ( 主要是尘埃 ) 的分布上留下其痕迹,所以对尘埃盘分布的观测反映了和行星形成过程中尘埃的形成和摧毁过程,以及行星迁移的历史。

对于类太阳的恒星,在 < 10Myr 的时标内,周围一定范围内的尘埃就会被“清空”,观测到的尘埃多半来自彗星物质的补充和行星子的碰撞过程等等。对于“生活”在刚刚形成的恒星附近的尘埃来说,其一生的命运是非常坎坷的,要收到辐射压,Poynting-Robertson拖拽(本质上也是一种辐射压效应),气体拖拽,碰撞,升华,引力扰动效应的骚扰,但这也为研究尘埃残骸盘提供了非常丰富的科学意义。比如说,天文学家们观测到的残骸盘中的尘埃环的“偏心”现象,可能就来自已经形成的行星的引力扰动效应,所谓的“平动的轨道共振” ( mean-motion resonance, Wyatt et al. 2006 )。

尘埃残骸盘的研究听上去是需要非常高的分辨率的观测工作,但事实上,早在80年代,残骸盘存在的证据就被发现了,利用的正是当时刚刚上天的 IRAS 红外天文卫星的观测。红外的观测揭示了一些年轻恒星存在红外色余 ( Infrared Excess ),在恒星的谱能量分布上表现为一个红外波段的大包,这个特征正好可以用恒星周围的残骸盘来解释,因为尘埃吸收恒星的UV辐射后,会在红外波段再发射出去。利用这种简单的方法,到目前已经有近1000颗年轻恒星被发现有残骸盘存在的证据。除了这种方法之外,利用HST的高分辨观测和地面自适应光学系统的帮助,已经有一批候选星的残害盘的散射辐射被直接观测到,这些尘埃主要分布在距离恒星10-100 AU 的地方,和太阳系中的Kuiper带有些类似,有些恒星在 10 AU 距离以内还有温度更高一些的尘埃存在,这些尘埃也被称为“系外黄道光”。最后顺便提一句的是,在这些观测中,天文学家们还直接观测到了系外星系的存在,比如著名的<a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Fomalhaut"北落师门 (Fomalhaut) 系统。

利用尘埃残骸盘的散射辐射进行直接观测是非常困难的事情,除了对分辨率的要求之外,还因为尘埃残骸盘的光深是非常的小,因此一般观测下,盘的散射光完全的淹没在了宿主恒星的辐射之中,必须要借助星冕仪的帮助 (就是想法把中心恒星挡住),还要依赖于非常小心的PSF估计和扣除 (如果盘是侧向的还要容易一些,如果盘是正向的,困难会更大一些),并且还要考虑到所谓的Wide-Angle Halo的影响,总之是非常非常困难的观测项目。正因为如此,目前只有16个尘埃残骸盘被利用这种方法探测到 (参见图一中的表格),其中只有5颗恒星是质量小于1太阳质量的恒星,因此说,对于低质量恒星周围晚起行星系统形成的证据,我们了解的要更少一些。


fig1

Fig.1: 被直接观测到的16个残骸盘系统。

观测与数据

本文观测的HD 92945是一颗距离我们21pc的K1型矮星,它也是利用IRAS观测到的红外辐射过量被选为残骸盘候选的,后续的红外和亚毫米观测也证实了残骸盘的存在,本文结合了HST上ACS的星冕仪在V和I波段的观测和Spitzer红外望远镜上IRS和MIPS设备的观测。其中ACS的观测可以直接探测到残骸盘的散射光,而Spitzer的观测,可以进一步的完善谱能量分布,为残骸盘建模和性质的研究提供进一步的证据。


fig2

Fig.2: 本图展示了HST/ACS在V波段的观测和数据处理,上图为原始观测数据,中间图为利用一颗没有残骸盘的恒星观测作为恒星PSF模型,下图为扣除了PSF之后的观测结果,随未扣除其他效应,但残骸盘已经清晰可见


fig3

Fig.3: 经过完整数据处理过程之后的HST V和I波段的观测图象,图象经过了平滑以及旋转,使盘方向为水平方向

关于观测的具体细节和数据处理过程,超出了我个人能力范围,请大家参考文章中的技术部分。在得到了HST两个波段的图象和Spitzer的SED观测之后,作者对这颗恒星的尘埃残骸盘系统进行了细致的分析,包括了其面亮度分布,颜色,尘埃密度分布,散射光建模,SED模型等进行了细致的研究,下面简单的总结一下主要的结论。


fig4

Fig.4: HST观测的V和I波段的平均面亮度分布,内部的环结构和外部明显的轮廓改变清晰可见

主要结论

  • 1. HST的观测展示出了一个略微倾斜的轴对称尘埃盘,包含了一个距离中心恒星 43-65 AU的内环。
  • 2. 具体的面亮度分布显示出了尘埃盘在外部有一个比较明显的边界,表现为面亮度轮廓的明显改变,这意味着尘埃的分布在外边界有一个截断,这样的结构在所有被观测到的16个系统中都是唯一的。
  • 3. 根据计算,盘在V波段的反照率很低 (10%),这似乎意味着盘的尘埃组成中,有大量小于1微米的尘埃颗粒存在。然而其V-I颜色和缺少24微米中红外辐射却有似乎指示着尘埃颗粒的尺寸应该比较大;这样同一个系统中得到矛盾的尘埃大小分布信息在残骸盘研究中其实并不鲜见。
  • 4. Spitzer的IRS和MIPS观测发现,在短于30微米波段处,不存在明显的红外辐射过量;而且辐射70微米远红外辐射的区域大小被限制在180AU以内。
  • 5. 通过Spitzer观测给出的尘埃大小分布和HST得到的反照率和面密度分布信息,作者给出了残骸盘尘埃总质量的估计:0.001地球质量。(想象一下这么小质量的尘埃分布在这样的区域内,大家应该可以理解盘光深之小,观测难度之大了吧)
  • 6. 尘埃残骸盘的形态与受迁移行星扰动,发生碰撞的行星子产生尘埃盘的模型预测比较一致。

  • fig5

    Fig.5: HD 92945的恒星和盘的SED,左侧为恒星辐射,实现拟合为有效温度5000K的黑体辐射。较大的实心矩形展示的是Spitzer 24,70和160微米的观测,最右侧的三角形表示的是CSO 350微米的亚毫米波观测。远红外辐射过量清晰可见。

    (孟奂同学的补充和纠正:)


    文章里对debris disk的定义大体是意思确实是这个, 不过操作上不可能定出什么尘埃寿命的 (如果轨道稳定不进入dust sublimation radius (尘埃升华半径)以内, 你可以认为尘埃是无穷大). debris disk的parent实际是protoplanetary disk. 二者有一些本质的区别, 原行星盘是形成恒星的原恒星星云在直接坍缩成的吸积盘, 仍然有大量气体, 仍然在被主星吸积(典型特征如H_{\alpha}的发射), 而且disk本身在红外光学厚. 这类盘只存在在非常年轻的恒星(很多是YSO或者前主序)周围, 如你所说, 可能<10Myr. 原行星盘的耗散机制和时间是目前的研究热点, 因为关系到巨行星的形成. 目前巨行星形成有两个competing的理论, 一个认为是原行星盘在雪线以外有足够的水可以参与早期的尘埃聚积或吸积, 形成10倍地球质量左右的核. 这个质量足够引起对原行星盘中气体的吸积, 直到富含气体的原行星盘耗散干净(变成debris disk). 对太阳系内巨行星的观测强烈支持这一理论. 但是当前这里最大的问题是, 以原行星盘的面密度, 要聚积出10倍地球质量的固体核需要的时间在10Myr量级以上, 而目前观测到的原行星盘平均寿命只有3Myr. 也就是说木星核还没聚积到足够吸附气体的质量, 气体就跑光了… 于是有了第二种理论, 认为巨行星是盘自身的引力不稳定性导致的质量聚积. 后期可以有几个地球质量的固体尘埃被吸引落进去, 但这不是必然的. 这个理论可以在足够短的时间里形成巨行星, 但是对太阳系里的4个巨行星都解释不通. 这是为什么观测原行星盘对我们对行星形成的理解非常重要.


    debris disk本质上是完全不同的东西. 原行星盘中的气体基本耗散掉以后, 观测上有一个被认为是transition disk的过程. 包括wTTs (weak-line T Tauri stars) 在内的一些前主序可能属于这个阶段. transition之后盘中气体耗净, 恒星不再吸积, 巨行星形成结束(但类地行星形成可能还在进行中). 这些debris disk类似太阳系中的Kuiper带. (注意他们温度远比太阳系的小行星带低. 小行星带恰好在太阳系的雪线上, 在其他恒星周围我们目前还很难观测到这么近的地方. 并不是说其他恒星系统不存在这个结构, 相反我们已经有了一些它们存在类似结构的观测证据.) 随着恒星系统变老, debris disk中的尘埃因为轨道等等因素很可能应该被清空, 但我们在很多很老的恒星周围还是观测到了这东西. 所以目前推测比较年老的恒星周围的debris disk应该是有replenish的机制的, 比如大量的彗星回归(可能对应太阳系的LHB), 或者高频率的小行星撞击等等. 这和最早观测吸积盘研究行星如何形成已经不太是一码事了, 这也是为什么我听到的中文称呼习惯叫它”尘埃盘”. 不过, debris disk导致的红外色余和相应的SED有时候暗示了disk中间有空隙环. 从天体力学上说那些环很可能是行星摄动造成的, 所以也是行星存在的证据. Fomalhaut的debris disk的就是这种, 而且行星已经被HST直接成像观测到了.

    延伸阅读

  • 1. Zuckerman 2001年在ARAA上关于尘埃星周盘的综述
  • 2. 恒星残骸盘数据库,非常好的资料性网站
  • 3. 星周盘学习网站,包含了大量的介绍性内容和观测图象,强烈推荐
  • 4. Mark Wyatt关于残骸盘演化的报告文件 (PDF格式)
  • 5. 系外行星网站对于残骸盘系统的综述文章
  • 6. JCMT等亚毫米波望远镜进行的星周盘Legacy Survey网站
  • 7. Centauri Dreams网站对于寻找残骸盘工作的科普文章,推荐
  • 8. 剑桥大学Mark Wyatt小组关于行星形成与尘埃残骸盘研究工作的介绍
  • 9. Micheal Werner关于利用Spitzer进行残骸盘研究的综述报告 (PDF格式)
  • 10. 尘埃残骸盘辐射转移模拟器-用以模拟谱能量分布.
  • 11. Mark Wyatt关于残骸盘成像研究的报告 (PDF文件)
  • 12. Mark Wyatt关于行星扰动产生残骸盘的理论解释的报告 (PDF格式)
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    讨论

    4 thoughts on “围绕邻近K型矮星的尘埃盘

    1. 图3的F814W的图像能看到40AU左右,为什么图4面亮度只画到70AU,没有像F606W画出“内环”?

      Posted by TrekLu | 五月 23, 2011, 12:32 下午
    2. 图中怎么没有感觉出星冕仪的作用?最后还是要用扣PSF的方法,那么星冕仪的用处提现在哪里?

      Posted by yimingleon | 五月 23, 2011, 9:39 上午
      • 扣的PSF也是星冕仪观测下的PSF,如果不用星冕仪,根本就看不到这些散射辐射;图三中的打洞是1.9“ 的seeing干扰区域,而星冕仪的遮挡区域是0.9″,既要遮挡,还要尽可能的排除PSF的干扰,这是HST的观测,已经很简单了,如果是用AO的话,模拟PSF要复杂的多

        Posted by Song Huang | 五月 23, 2011, 9:52 上午
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