0.1秒角の光・赤外線観測で迫る星・惑星形成
田村元秀
深川美里、石井未来、林正彦 & SDPS team
2004年2月19日サブアークセカンドの角分解能で探る星形成
国立天文台 三鷹

本日の話：約0.1秒角の撮像観測のレビューと関連研究紹介＊若い星の星周構造（原始星とTﾀｳﾘ型星/Herbig AeBe）

HL Tau, HH30, GM Aur, HD141569, AB Aur＊若い星における伴星探査：
disk-planet connection

本研究会の他のトークでカバーされる星周構造トピック

原始星：酒向さん、根建さん
ジェット：表さん
分光観測：寺田さん
中間赤外・大質量星：岡本さん

1

近赤外波長で見えるもの

光度

中心見えない背景星の利用

撮像可能
コア
円盤
エンベロープジェット・フロー

温度
低質量星の進化

分子雲コアの形成:

104 - 106 年

原始星:

104 - 105 年

Tタウリ型星:106 - 107 年

撮像可能中心星円盤ジェット

原始惑星


惑星形成:

106 - 108 年

例外：シルエット

NIR/Mid-IR thermal dust (OIR interferometer, AsAst.)
Scattered Light in Optical and NIR (opt. thick)

Domain sampled
in current images
at 150 pc

mm / submm thermal dust emission (opt. thin)
Optically thick CO lines
thin lines

Accretion shock
Accretion disk

Vertical scale near the star

200

Passive reprocessing disk
FlaringAcc. Rate ~10-8M⊙/yr

Planetesimals?

0Wind
Accretion columns(broad emission lines: Hα, etc)

- 200~1

Approximate radius r (AU)~ 50~ 100

Approximate H(r) at 500 AU (AU)~ Kuiper Belt

Stellar magnetosphere~ 500

Adapted from A. Dutrey

2cold dust からの熱放射
hot dust からの熱放射
dust からの反射光

z サブミリ波〜ミリ波：
z 中間赤外：z 可視・近赤外：z 星周構造（特に、円盤）からの散乱光と星の光度コントラストが大きいのが問題
z 可視・近赤外撮像⇒基本的に、dust を解明
z 基本的なダスト分布
z 円盤のパラメータz 傾き、表面輝度、厚み、質量（ただし不定性大）、ダストの光学的性質（含む、ダストの成長）z 動径構造、方位角構造
z dust分布の擾乱源の情報
z ring, gap, central hole, etc.
z 惑星の間接的証拠
z 熱円盤のパラメータはまだこの解像度では得られない
z VLA 7mm 以外はミリ波干渉計の解像度は 1” 程度
z SMA(>0.1”)/ALMA(>0.01”) 待ちz 温度・磁場・速度・電離度の情報は得られない解像度（AU）のめやす
TW HyaTau/Cha/Oph

Ori

50 pc

150 pc450 pc

自然シーイング(1μm;1”)

50

150

450

HST(1μm;0.1”)

51545

すばる
(2.2μm;0.07”)

31236

すばる
（10μm;0.3”）

1550

150

ESO VLTI(10μm;0.03”)25143

可視光・近赤外高解像度観測装置の状況：スペース

z HST

z 可視光
z WFPC2z ~0.1”z シルエット円盤＋some TTS; 今後はACS

z STISz ~0.1”z フィルターなしコロナグラフ

z ACS

z ~0.05”
z マスクサイズの大きいコロナグラフ

z 近赤外線z NICMOSz ~0.1” @ 0.8-2.4μm
z コロナグラフ機能、グリズム分光機能

z AOが使えない原始星の高解像度観測では独壇場
z 高いストレール比(98%)と安定したPSFを生かした撮像（例：コロナグラフ）
z 1997/3-1998/12: LN2無くなる
z 2002/4復活：冷凍機のインストール

wedge width = 0.5 – 3”

4mask size = 1.8” & 3.0”

NICMOS COOLING SYSTEMThe NCS System was flighttested on STS-95 (October1998) in the Shuttle Bay on
NASA/GSFC’s
HubbleOrbitalSystem’sTest(HOST) Pallet.

5可視光・近赤外高解像度観測装置の状況：地上z 補償光学（AO）の登場で、0.1秒角を切る解像度を近赤外波長域で日常的に観測可能になった
z Subaruz CIAO/IRCS + 36 素子AO
z 2005年頃から：188素子

z Keckz KCam/NIRC/NIRC2+349素子AO

z VLT

z CONICA+185素子NAOS (NACO)z Geminiz Hokupa’a 85素子AO+偏光

z その他

z CHFT（UH-AO）、ADONIS、IRTF/CoCo

原始星の観測zTタウリ型星と違って、中心星が可視光で見えないため、AOのためのガイド星が使えないことが多い
z レーザガイド星が使えるようになれば改善される
z VLTは赤外波面センサーがあるのでAO観測可能
z 近くにTTSがあれば（TTSとの伴星）AO観測可能

z撮像は、ほぼハッブルの独壇場？（0.1”）z地上では、良好なシーイング（0.3”程度）の利用や分光に特徴を出せる

6

２ミクロンで見た原始星：
1秒角の世界（キットピーク）
z Tamura, Gatley, Werner et al. 1991, ApJ, 374, L25 (w/ 62x58 IR arrays)〜8400 AU

すばる望遠鏡：２ミクロンで見た原始星と星周構造
解像度＝0.3-0.4” w/ 1024x1024 arrays

Tamura et al.

8400 AU7

IRAS 04302+2247: Butterfly
 dark laneと対称的な星雲⇒
完全なedge-on disk

JHK composite; HST/NICMOS
11”x11” (1500AUx1500AU),
Padgett et al. 1999

 フレア円盤＋回転落下エンベ
ロープのモデルを用いた円盤のパラメータの導出(Woodet al. ‘03)
 Shakura & Sunyaev ‘73
 Ulrich ‘76
 Outer radius R(out)=300AU
 disk flaring parameter β=1.29
 rarial density profile α=2.37
 scale height h(100AU)=15AU
 M(disk)=0.07Mo

原始星の観測： スペクトルの例*04016
すばる分光*04169z 原始星の中心天体に迫る（Ishii, Tamura, & Itoh 2004）z おうし座の原始星５天体の赤外（2ミクロン帯）スリット分光
z 中心のコアと反射星雲の明るい部分を同時に分光
z 反射星雲自体の2μm帯分光は初めてz ２天体：光球の吸収線 吸収線を用いた分類を検出(veilingz 巨星に似た大気を示す independent)
ものあり

dwarfsEW(Na+Ca)=Teff indicator
giantsEW(CO)=luminosity indicator8Ishii et al. 2004
反射星雲のスペクトル＝コアのスペクトル＋吸収で説明可能

IRAS 04248+2612
 近赤外線で中心を分解 2重星
 separation=25 AU 反射星雲 アウトフローをトレース
 helical jet?

JHK composite, HST/NICMOS
11”x11” (1500AUx1500AU),
Padgett et al. 1999

9

HL Tau

C: Subaru/CIAO (H)
B: HST/WFPC2 (F555W, Stapelfeld 95)

1”=140AU

NIR w/AO
vs.
optical/spacez

point-like source + envelope

ztwo cavities
z inner flipped-C shapenebula
z northern arm
z inner part – optical,outer part – NIR
z optical jet* misalignedwith the inner cavity(*) optical jet within the inner cavity
is not well measured due to color gradient

Polarization image of HL Tau
a. Subaru + CIAO +polarimeter w/o
AO (0.4”)b. centro-symmetricpatternc. polarization diskd. aligned vectors
across stare. Mote Carlomodeling

Lucas,
Fukagawa,Tamura et al.
2004

10

HH 30: 円盤に隠されたTTS
z HST/NICMOSz 多色直接撮像
z フレア円盤z 非軸対称性あり
z 光球上のスポットで説明

z カラーとモデルから、大きなダストが必要z a(max)>50μm

z M(disk)>0.0015Mo

F675W/F119/F204M composite~1”x1” (140AUx140AU)
Cotera et al. 2001

GM AUR Unembedded (Av < 0.5)
Red Polar Lobes
10 µJy arcsec-2

Coronagraph +PSF Subtractionz 140 pc, cTTS (K7 V),
0.84 Mo, 1.3 Myrz 単独星z NICMOS / 1.1 & 1.6 μm+ coronagraphz フレア円盤＋薄いエンベ
ロープ
z 円盤の赤道部分がシルエットz フレア円盤モデルでフィットLower Scattering Surface
0.2 mJy arcsec-2

Faint Blue Ribbon

J* = 0.33 Jy
H* = 0.40 Jy

GM Aur5”=700AU

11

HD 141569 A
 99 pc, Herbig Be (B9.5 Ve) HST/ACS + coronagraph 多重リング構造
 STIS/NICMOSの方が構造は見やすい（後で） 惑星擾乱説
 非惑星擾乱説
 dust migration
 アーム
 伴星との重力相互作用

500 AU
V-band image, HST/ACS
Clampin et al. 2003

zz

AB Aurzzz

144pc, Herbig Ae (A0 Ve), 2.4 Mo, 約4Myr
Subaru＋CIAO＋AO、コロナグラフあり
580 AUにまで広がるディスク（可視光で見えているエンベロープとは異なる）
単独星にもかかわらずアーム構造が顕著
フレア円盤＋不規則腕 ⇒ エンベロープからの物質落下による重力不安定性か？

Fukagawa et al. 200412

Intro: planet & BD direct detections
 sensitivity, angular resolution, dynamic range
 aged planets: beyond current instrument power hot jupiters: beyond 8-mAO; go to 8m IR interferometers the younger, the better (both luminosity & dynamic range)
 current searches: SFRs, nearby clusters

0.1

1

10

100 micron

1M

10M

100M

1G

10GyrCurrent Status direct planet detectionsz Companion searches around nearby stars

z HST faint companion (FC) searches around nearby 23 stars with WFPC2 (Schroeder et al. 99)
z NICMOS survey of 45 young (<300Myr) nearby stars (Lowrance 03)
z Palomar searches for 8pc sample (Oppenheimer et al. 00)
z Subaru searches around slow movers (Nakajima et al. planned)z Companion searches around Doppler planet stars
z Keck searches around 25 stars (Luhman & Ray-Jay 00)
z Lick et al. searches around 11 stars (Patience et al. 02)

z Companion searches around VLM objects

z HST searches around VLM objects (eg., Reid et al. 01)
z Gemini searches around VLM objects (Potter et al. 02; Close et al. 03)
z BD binaries<NOTE:VLM objects=Very Low Mass objects>z Companion searches around YSOs or clusters
z Various searches in Pleiades (Martin et al. 00)
z ADONIS survey of Tuc-Hor association (Chauvin et al. 03)
z Subaru searches around 100 stars (Hayashi, Tamura et al. ongoing)z Various Free-Floating Planet (aka. Sub-BrownDwarfs) searches in SFRsz No planets except several BDs (e.g., Gl229, Gl86,HD130948, TWA-5, HR 7672) discovered so far.

13

Two ultracool companions to the young star
HD130948
Potter et al. 2002; Goto et al. 2002
Mars orbit at 17pc

Pair has same propermotion as primary (7month basis 148 mas/yr
 Gravitationally boundpair
 brown dwarf binary Pair separation =0.134+/-0.002”
 Subaru/IRCS

spectroscopy (Goto etal.)
Primary < 1 Gyr

TWA-5B(CoD-33°7795)

HR 7672B(15 Sge)

55pc
YBD(12MYr)
15-40 MJupiter

18pc~2GYr for Pr.
~65MJupiterGl 86BGl 229B

11pc
several GYr~50?MJupiter

11pc
16-100MYr??
~50?MJupiter14我々の伴星低質量候補天体
9おうし座のTタウリ型星の伴星
9Common proper motionを確認できているものもある
9年齢が正しければ、木星の10-20倍質量程度
9分光フォローアップ中

まとめにかえて：今後の計画¾Subaru Disk and Planet Search
projectの継続¾統計が議論できるまで¾disk morphology details¾AO有りの偏光観測¾disk spectroscopy¾次期補償光学のための円盤・惑星探査装置の計画¾高感度ｽﾍﾟｰｽ赤外観測との連携¾SEDと撮像¾新しい観測対象

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