中間赤外線によるデブリ円盤の観測
ー 「あかり」による温かいデブリ円盤探査 ーー追観測によるデブリダストの性質の解明ー○藤原英明、尾中敬(東京大学)、石原大助(名古屋大学)、あかりVEGADチーム•「あかり」IRC全天サーベイデータに基づき、中間赤外線超過を示す温かいデブリ円盤の探査を行った•これまでに25天体検出、うち9天体が新たなデブリ円盤候補•Subaru, Gemini-S, Spitzerによる追観測•(F3V,2Gyr)をSpitzer/IRSで分光観測(5-35µm)•年齢に対して極めて大きな超過•シリカ(SiO2)ダストの9,20µmフィーチャーを検出•岩石質(原始)惑星から放出された可能性を示唆

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Introduction: Debris Disk•

デブリ円盤– 主系列星に見られる星周ダスト円盤– 赤外線超過として検出– 可視~近赤外線散乱光などで円盤構造が検出されているものもある– 起源• 二次的に供給されたダスト• ダスト散逸タイムスケールを考えると原始惑星系円盤ダストの生き残りではない• 惑星形成後期に微惑星の衝突・破壊か彗星状天体の昇華により供給?

– 惑星形成過程と深い関係?
• Fomalhaut: デブリ円盤＋惑星2

Introduction: Hot Debris Disk•

Cold Debris (Td<100K)
遠赤外線超過主系列星の~15%
IRASで多く見つかっていた•

Warm Debris (Td~200K)
中間赤外線超過主系列星の~2-3%??

•••

Hot Debris (Td>300K)
10ミクロン超過主系列星の~1%??

•Spitzer,「あかり」で見つかりだしてきた(e.g. Fujiwara+ 09, ApJ 695, L88)
惑星形成領域に存在• 母天体の性質• 惑星形成との関係
ダストフィーチャーの議論

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AKARI/IRC 18µm Survey ofWarm Debris Disks	Fujiwara+, in prep.	

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AKARI MIR All-Sky Survey	
• AKARI/IRC 9 &18 µm	Band	S9W	AKARI 9µm all-sky image

Wavelength	

6-12 micron	 14-26 micron	(Zodiacal light subtracted)

Sensitivity	

50 mJy	Resolution	

L18W	
120 mJy	
9.4”	

5「あかり」IRCによるデブリ円盤サーベイ	• Cross-correlation (Δr<5”)– AKARI/IRC全天サーベイ点源カタログ– Tycho-2 SpT カタログ(Wright+ 2003)より光度階級Vの星– 2MASS• 18µm超過を持つ主系列星の抽出– Ks-[18]カラーからempiricalに– スペクトル型毎にKs-[18]の分布の2σをしきい値に• 目視によるチェック → 超過天体候補• 既知のYSO, late-typeのチェック → デブリ候補	

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デブリサーベイ: Ks-[18]カラー	
A型星	
2σ	F型星	2σ	G型星	2σ	K型星	2σ	7結果	
• 光球成分の数十%以上の超過を示す天体の抽出に成功• このうち、超過がこれまでに未報告のものが9天体–

ただし(未報告の)YSOがまぎれているかもしれない• デブリ円盤頻度にスペクトル型依存性?	
8「あかり」で検出したデブリ円盤の一部	

Flux Density (Jy)	

Src01 A1V	Src02 A0V	Src03 A0V	Src04 A1V	Src05 F3V	

Wavelength (1-100um)	
Src06 F5V	

Src07 F6V	Src0 F3V	

Src09 A3V	Src10 A0V	Src14 G8V	■ AKARI○ IRAS

Wavelength (1-100um)	
Src11 A2V	Src12 G5V	

Src13 G6V	9

Violent Debris Dust Ejection
from a Rocky Planet around2Gyr Star 	Fujiwara+, submitted	10

Spitzerによる追観測	• Target:– F3V主系列星– Geneva-Copenhagen survey (Holmberg+ 2007)• Age=2.1Gyr, Teff=6300K, [Fe/H]=+0.8, d=55pc (Hipparcos)• Teff, [Fe/H], Ageは岡山HIDESの観測で確認• あかりMIR全天サーベイにより9,18µmで大きな超過検出• IRAS Faint Source Catalogでも超過が示唆 (Oudmaijer+1992)• Spitzer宇宙望遠鏡/中間赤外線分光器IRSで追観測– SL,LLで観測 (R~100)– 波長精度は0.1µm以下
11Results: IR Photometry	•

Tab.: 中間赤外線でのフラックス (by AKARI/IRC & IRAS/FSC)– IRASの方が若干明るい … ビームサイズの違い？
– IRAS/FSC 60, 100µmはupper limit••

Kuruczモデル(Teff=6500K, log g=+4.0) + 2MASS JHKsで光球フラックスを計算
超過成分– 9µmで光球予想フラックスの４倍– 18µmで8倍	12Results: NIR-FIR SED	• Fig. : 近~遠赤外線 SED– AKARI/IRC と Spitzer/IRS とは良く合っている– >5µmで顕著な超過• Hot dust の存在– 10, 20µmに顕著なフィー
チャー• Si-O, O-Si-Oの振動モードか13

Results: Dust Features	••Fig.: 光球成分を差し引き後のスペクトル
フィーチャーのピークは9µm
および20-21µm– 非晶質シリケイトのピークは9.3-9.7µmおよび17-18µm– シリケイトだけでは説明できない– シリカは9µm,20-21µmにフィーチャーを示す

14シリカ•シリカ(SiO2)– Siを中心とする四面体構造が頂点のOを共有
しなががら無数につらなる構造– 例: quartz(石英)– 温度や圧力に応じて様々な構造(多形)– 10µm付近にSi-Oストレッチモード、20µm付近にO-Si-Oベンディングモードに由来するフィー
チャー(シリケイトと同じ)– 星間ダストには見られない(Kemper+ 04)• 星間空間ではシリケイトがほとんど	

– Sargent+ 09 が T Tau 型星で検出(結晶質)15Results: Dust Features	
• 超過成分スペクトルのモデル
blackbody	

シリケイト	シリカ	• シリケイト: 1.5µmサイズの非晶質パイロキシン(Mg0.5Fe0.5SiO3)– 太陽系／原始惑星系円盤では普遍的なダスト– 質量吸収係数は Dorschner+ 95 の光学定数からMieで計算• シリカ: 非晶質(溶融)石英 (by Koike+ 89)– Koike+ 89 の光学定数からCDEで計算

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Results: Dust Features	
••••

1.5µm-sized pyroxene と非晶質石
英の組み合わせで非常に良く再現
blackbodyからの寄与が最大
ダスト温度はTd=500-700K (誤差10%程度)
Pyroxene 対 Silica の質量比 =0.6 : 0.4	SiO gas ?	
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Results: Dust Features	••

ダスト温度Td=500-700KはR=0.6-0.8AUに相当
パイロキシン+シリカダスト質量
Mdust=5x1017kg~10-7MEarth–•

ただし下限値

シリカはUV~可視での吸収率が極めて低い–

高温で存在するためには、他のダスト種と接触している必要がある~0.6-0.8AU	

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Results: Fractional Luminosity	••: f=Ld/L*=5x10-3
小惑星同士の定常的な衝突破壊によるデブリ円盤進化モデル(Wyatt+ 06)– 典型的なパラメタでのFLの最大値– ~ a few x 10-8••

はるかに大きな(x105 !!)超過
Transient なダスト生成現象を考える必要がある

fobs/fmax > 105 !!	

– Late Heavy Bombardment ?
– しかし2Gyrでは惑星形成は終了しているはず！

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Discussion	
• 宇宙におけるシリカ– 星間空間では未検出(Kemper+ 04)– いくつかのTTSsで検出 – 結晶質(Sargent+ 09)– 太陽系天体でも検出

ROX 42C(Sargent+ 2009)	

• コンドライト(Dodd+ 81) - 結晶質• Wild2/STARDUST - 結晶質(Zolensky+ 06)• 地球の造岩鉱物 – 非晶質,結晶質– デブリ円盤• HD172555(A5V,12Myr; Lisse+ 09)• HD23514(G0,100Myr; Rhee+ 08) ?

HD172555(Lisse+ 2009)	
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Discussion	•,HD172555でシリカ検出– HD23514もおそらく– 原始惑星系円盤->デブリ円盤->惑星系(太陽系) の全てのフェーズにシリカ検出• 惑星系形成プロセスにおいてはシリカは実は普遍的？
• シリカが検出されたデブリ円盤にはすべて高温ダスト(>200K)– 中心星のごく近傍に存在しダストが十分に温められるケースでのみ観測される？

HD172555	

HD23514	

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Discussion:シリカ生成過程	
•原始惑星系円盤(TTS): Sargent+ 09で議論
––––

•

デブリ円盤
–––

•

Faban+ 2000: エンスタタイトのレーザー加熱実験
エンスタタイトから小さなSiO2 smoke 粒子が生成
ショック加熱など平衡状態を経ない加熱により、円盤内で生成
高温低圧下生成物tridymite,cristobalite(結晶質)様のものが主高温低圧下生成シリカはminor (12.6µmフィーチャの欠如)
しかも、ダスト全体として金属がdepleteしている	
原始惑星系円盤と同じメカニズムを考えるのは厳しい

ダスト
放出	

集積、内部分化した(原始)惑星の表面(地殻)で石英生成、天体の高速衝突などにより放出された可能性––

地球表層には多量の石英(花崗岩), tridymite,cristobaliteは少ない	
極めて大きなLuminosity Fraction、SiOガスフィーチャも傍証

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まとめ	
•

主系列星にシリカ(非晶質石英)ダスト
フィーチャーを検出~0.6-0.8AU	

– 原始惑星系円盤と太陽系との間を埋める存在• 非常に大きなfractional luminosity– Transient event•

岩石質惑星起源のダストの可能性– R~0.6-0.8AUに岩石質惑星？

•ごく最近に高速衝突現象かダスト放出	

– しかも2Gyrの星で！

•太陽系における衝突現象との関連?
– クレーター、SL9、水星の密度の高さ、…

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ダストをトラップする機構	
• 放射圧 (Meyer+ 04)• β=Frad/Fgrav~(0.4µm/a)(2.7g/cm3/ρ)(Lstar/Mstar)~1.1– a=1µm, ρ=2.7, Lstar=3.9Lsun, Mstar=1.4Msun• µmサイズのダストは放射圧ですぐに飛ばされるはず• 観測確率を考えると、ダストを星周にトラップし、寿命を長引かせる機構を考える必要がある？
– 羊飼い衛星• 土星、天王星– 惑星のresonant• 地球との共鳴による ”Cirucumsolar Dust Ring” の発見 (Reach+ 95)

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