Photoevaporation of Grain-depleted Protoplanetary Disks around Intermediate-mass Stars: Investigating the Possibility of Gas-rich Debris Disks as Protoplanetary Remnants
2021-07-01

Abstract Debris disks are classically considered to be gas-less systems, but recent (sub)millimeter observations have detected tens of those with rich gas content. The origin of the gas component remains unclear, but it could be protoplanetary remnants and/or secondary products from large bodies. In order to be protoplanetary in origin, the gas component of the parental protoplanetary disk is required to survive for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>≳</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>Myr</mml:mi> </mml:math> . However, previous models predict <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>≲</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>Myr</mml:mi> </mml:math> lifetimes because of efficient photoevaporation at the late stage of disk evolution. We investigate photoevaporation of gas-rich, optically-thin disks around intermediate-mass stars at a late stage of the disk evolution. The evolved system is modeled like those devoid of small grains ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>≲</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:math> ). We find that grain depletion reduces photoelectric heating so that far-ultraviolet photoevaporation is not excited. Extreme-ultraviolet (EUV) photoevaporation is dominant and yields a mass-loss rate of the order of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>EUV</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>38</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>yr</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> , where <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>EUV</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> is the EUV emission rate of the host star. The estimated gas–disk lifetimes are <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>100</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>disk</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>EUV</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow>