第 56 卷第 2 期天文学报 Vol.56 No.2 2015 年 3 月 ACTA ASTRONOMICA SINICA Mar., 2015 doi: 10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.02.004 寻找 AKARI/FIS 观测到的长寿命原行星盘 刘琼 1,2 刘尧 3 (1 中国科学技术大学天文学系合肥 230026) (2 中国科学院星系宇宙学重点实验室合肥 230026) (3 中国科学院紫金山天文台南京 210008) 摘要 基于日本红外卫星 AKARI/FIS 的年轻恒星候选体样本, 通过匹配 Hipparcos (High Precision Parallax Collecting Satellite) 的数据库共计得到 21 个太阳系附近的年轻恒星候选体, 可靠性为 90%. 恒星的光谱类型从 B 型到 M 型星. 利用 Hipparcos 精确的三角视差测量, 定出源在赫罗图位置分布, 进而与理论的演化轨迹等时线比较估算恒星的年龄. 结果发现样本中存在两个年龄大于 10 Myr 的年轻恒星体. 光学至红外能谱分布表明这两个源是 II 型年轻恒星体, 即有原行星盘. 通过进一步的能谱拟合表明这两个源的年龄分别为 (14.1 ± 4.2) Myr 和 (16.8 ± 4.4) Myr. 长寿命原行星盘与行星形成关系紧密, 是理想的原行星诞生地. 关键词恒星 : 前主序星, 原行星盘, 三角视差中图分类号 : P144; 文献标识码 : A 1 引言 恒星的早期演化阶段是指从恒星际介质的高密区形成分子云, 再分裂成更高密度的云核, 云核在自引力作用下坍缩形成原恒星 (Protostar), 直到主序之前的演化阶段. 原恒星最初被很厚的包层物质覆盖, 中心天体不断吸积周围的物质使包层逐渐变小, 中心天体逐渐变为可见, 这时候成为主序前 (Pre-Main Sequence, 简称 PMS) 恒星. 上述演化过程的恒星系统, 统称为年轻恒星体 (Young Stellar Object, 简称 YSO) [1]. 从包层覆盖到吸积周围物质形成吸积盘阶段, YSO 都有强的红外辐射. 因此红外是探测和研究恒星形成区和 YSO 的一个最为直接的波段. 至今已有人利用红外望远镜, 比如 IRAS (Infrared Astronomical Satellite), Spitzer, WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) 和 Herschel (Herschel Space Observatory) 做了大量相关工作. 2014-09-23 收到原稿, 2014-10-23 收到修改稿 江苏省青年科学基金项目 (BK20141046) 资助 jonecy@mail.ustc.edu.cn yliu@pmo.ac.cn
124 天文学报 56 卷 AKARI 是目前唯一具有波长大于 100 µm 的全天巡天的红外望远镜 [2]. 恒星早期的演化即主序前的演化, 在原恒星形成到行星形成期间中心天体不断吸积包层物质, 形成的盘称为原行星盘, 行星形成并不是演化的必然阶段. 其红外探测器 FIS (Far-Infrared Surveyor instrument) 的远红外尤其是波长大于 100 µm 的数据有助于研究这类盘的冷尘埃辐射. AKARI 释放的亮源表 BSC (Bright Source Catalog), 简称 AKARIBSC, 是目前公开的唯一一个无偏的波长超过 100 µm 的全天区点源数据库 [3]. 基于这个测光数据库, Tóth 等人做了一个 YSO 的样本, 简称 AKARI/FIS YSO 候选体样本. 他们的目的是寻找 AKARI/FIS 的数据库中的 YSO 候选体 [4]. 本文将 Tóth 的 AKARI/FIS YSO 候选体的样本与高精度视差测量卫星 Hipparcos 的星表匹配, 经过排除其它非 YSO 源, 最终得到 21 个 YSO 候选体. Hipparcos 是一个全天的望远镜, 共有超过 11 000 颗高精度测光和准确的天体测量如三角视差 自行等的恒星 [5]. 运用三角视差, 可以定恒星的距离, 从而得到它们在赫罗图上的位置, 进而与理论的演化轨迹等时线比较估算恒星的年龄. 结果发现样本中存在年老的源 ( 大于 10 Myr). 另一方面, 从光学到红外的能谱分布表明这些年老的源属于 II 型 YSO ( 中红外谱指数满足 1.5 < α IR < 0 [6] ), 即带有原行星盘, 盘的年龄一般不会长于 6 Myr [7]. 然而盘存活时间久更有利于行星形成, 因此长寿命原行星盘是寻找原行星形成的理想地 [8]. 2 数据匹配与处理 2.1 AKARI/FIS 的 YSO 候选体样本 日本红外卫星 AKARI 是一个全天的望远镜, 其远红外探测器 FIS 涵盖 65 µm 90 µm 140 µm 和 160 µm 4 个波长 [2]. AKARI 释放亮源表 AKARIBSC [3] 后, Tóth 等人利用 WISE 和 FIS 数据选出一个包含 44 001 个 YSO 候选体的样本, 具体的选择标准参见他们的文章 [4]. 他们做这个样本的目的在于研究银河系恒星形成. 2.2 AKARI/FIS 的 YSO 候选体样本与 Hipparcos 的匹配 本文采用的恒星数据库是 1997 年的 The Hipparcos and Tycho Catalogues [9]. 接下来将 AKARI/FIS 的 YSO 候选体样本与 Hipparcos 星表匹配, 由于 AKARI/FIS 分辨率有限, 且 YSO 在天区分布疏密不同, 统一的匹配半径并非理想选择. 本文采用依照源的面密度分布自适应选取匹配半径的办法, 参见我们以前的工作 [10]. 在保证足够可信度 ( 这里采用的是 90%) 的基础上, 尽可能放大匹配半径以找到更多源. 具体选源过程为 : 首先, 计算每个 YSO 候选体所在位置的 Hipparcos 星密度 ; 其次, 按面密度大小将 44 001 个源分成了 3 组 : 高密度区 中密度区及低密度区. 最后, 对 3 个区分别做匹配, 并估计随机源的个数. (1) 低密度区 ( 每平方角秒 n < 7.5 10 7, 共 12 550 个源 ), 10 角秒内匹配得 21 个源, 随机源个数为 2; 检查这些源, 排除了 3 个不是 YSO 的源 : 1 个行星状星云 (HIP 19395), 1 个红巨星 (HIP 27989) 和 1 个碳星 (HIP 56551). 最后还剩下 18 个源作为下一步的研究对象. (2) 中密度区 ( 每平方角秒 7.5 10 7 n 1.5 10 6, 共 31 399 个源 ), 2 角秒内匹配得 4 个源, 随机源个数为 0.4; 其中 1 个源是行星状星云 (HIP 78034), 需要排除. 由于源密度略大, 放大匹配半径将导致假源个数增加迅速, 无法达到 90% 的真实性.
2 期刘琼等 : 寻找 AKARI/FIS 观测到的长寿命原行星盘 125 (3) 高密区 ( 每平方角秒 n > 1.5 10 6, 共 52 个源 ), 没有匹配到源. 由此, 共计得到 21 个源, 其相关参数列于表 1. 其中第 1 列为源的名字 ( 以 HIP 序号命名 ), 右上角注释为 SIMBAD 上查阅的源类型 : a 为 Herbig Ae/Be star, b 为 YSO, c 为 pre-main sequence star, d 为 pulsating star, e 为 star, f 为 symbiotic star, g 为 emissionline star, h 为 Wolf-Rayet star. 在这 21 个源之中, 标注为 a b 或 c 的源属于年轻恒星体. 第 2 列表示源所在区域 (0 为低密度区, 1 为中密度区 ), 第 3 列为 B-V 颜色, 第 4 列为绝对 V 星等 ( 由三角视差和 V 视星等计算得来 ), 第 5 到 7 列为 2MASS 的 J H 和 Ks 星等, 第 8 到 11 列为 WISE 的 W1 W2 W3 和 W4 星等, 第 12 到 15 列为 AKARI/FIS 的 65 µm 90 µm 140 µm 和 160 µm 的流量, 第 16 列为恒星光谱型. 3 结果与讨论 3.1 赫罗图分布 样本源在赫罗图的分布见图 1, 绝对星等和 B-V 颜色来自于表 1. 圆形是低密度区的 18 个源, 五角星是中密度区的 3 个源. 由图可见源的分布涵盖早型 B 型星到晚型 K 型星. 根据源在赫罗图的位置, 与理论上恒星的演化轨迹对比可以大致定出恒星的年龄, 从而得知盘的年龄. 2.0 图 1 AKARI/FIS 和 Hipparcos 匹配得到的 21 个 YSO 候选体在赫罗图的分布. 21 个源如圆形和五角星所示, 点线为等年龄线 ( 来自 DM97), 文中介绍已经将其转化为 M v 与 B-V 的图. 实线为零龄主序 (Zero-Age Main Sequence, 简称 ZAMS) 线. Fig. 1 The evolutionary H-R diagram for the 21 YSO candidates found through cross-correlating Hipparcos catalog with AKARI/FIS YSO catalog. These 21 sources are plotted as circles and stars. The dotted lines are the isochrones of DM97, which have been transformed to M v and B-V as described in the text. The solid line is the Zero-Age Main Sequence (ZAMS). 本文采用的演化轨迹来自 D Antona 和 Mazzitelli [11] ( 简称 DM97). 计算时选取的是太阳丰度, 质量范围涵盖 0.02 3 M. 为了方便同观测做比较 [12], 本文将 DM97 的赫罗图由光度和有效温度坐标转换为绝对星等 M v 和 B-V 颜色. 具体的转换方法参考 Flower 的
126 天文学报 56 卷 文章 [13]. 有效温度转化为 B-V, 并通过经验关系得到热改正 BC. 绝对星等计算公式如下 : M v = M b BC. 其中热星等 M b = M bsun 2.5 lg (L star /L sun ). DM97 提供的等年龄线共计 16 条, 涵盖 0.07 Myr 到 100 Myr. 在图中画出的 4 条线对应年龄分别为 0.1 Myr 1 Myr 10 Myr 100 Myr. 本文采用的等年龄线模板没有覆盖到大质量端, 故暂无估计大质量星的年龄. 我们在低质量端找到两个较为年老的源 ( 大于 10 Myr), 如黑色实心圆 (HIP 26295) 和实心五角星 (HIP 78317) 所示, 它们是拥有长寿命盘的候选体. 其中 HIP 78317 ( 又名 RY Lup) 是一个金牛 T 星 (T Tauri Stars) [14], Manset 等人的工作中给出它的年龄为 (12 ± 4) Myr [15]. 3.2 长寿命盘候选体的能谱分布 除了远红外 AKARI/FIS 的数据, 本文还搜集了其它的红外数据, 目的在于构建样本源的能谱分布. 中红外是一个非常重要的波段, 依据中红外能谱的谱指数可以对 YSO 进行分类 [6]. 谱指数为红外 K 波段 (2.2 µm) 到 N 波段 (10 µm) SED 斜率 : α IR = lg (λf λ) lg λ, (1) YSO 可以分为 : I 型 YSO α IR > 0, II 型 YSO 1.5 < α IR < 0. 本文采用的近红外数据来自 2MASS 全天巡天星表 (2MASS All-Sky Point Source Catalog [16] ), 中红外数据来自全天望远镜 WISE [17] 的数据库 AllWISE Source Catalog. 表 1 中列出了近 中红外 2MASS WISE 的测光和远红外 AKARI/FIS 的测光数据. 由于这些源具有比较全的从光学到远红外的观测数据, 我们依据 Liu 等 [18] 工作中计算的能谱模型数据库对其观测能谱做了细致拟合 ( 如图 2 所示 ), 得到了中心星的光度与有效温度, 再通过插值 Siess 等 [19] 的前主序演化轨迹得到了中心星的质量和年龄. 其中 HIP 26295 的中心星质量为 (1.72 ± 0.51) M, 年龄为 (14.1 ± 4.2) Myr; HIP 78317 的中心星质量为 (1.24 ± 0.35) M, 年龄为 (16.8 ± 4.4) Myr, 与 Manset 等 [15] 给出的结果一致. 4 总结与展望 本文利用 Hipparcos 数据库匹配了日本红外卫星 AKARI/FIS 的 YSO 候选体样本 [4], 采用依据源的面密度自适应调整半径的匹配方法, 经过排除其它非 YSO 的源, 最终得到了 21 个太阳系附近的 YSO 候选体. 由 Hipparcos 的三角视差, 可以得到这些源的距离和绝对光度, 从而定出源在赫罗图的位置, 进而与理论的演化轨迹等时线比较估算恒星的年龄. 最终得到 2 个年龄大于 10 Myr 的 YSO 候选体, 它们在远红外有强辐射, 光学到红外的能谱分布表明它们是 II 型 YSO, 处于恒星早期演化中比较晚的阶段, 即中心恒星吸积包层物质形成原行星盘的阶段. 利用 Liu 等 [18] 的理论模型对这两个源做能谱拟合, 得到了中心星的光度和有效温度, 继而利用 Siess 等 [19] 的前主序演化轨迹得出这两个源的年龄分别为 (14.1 ± 4.2) Myr 和 (16.8 ± 4.4) Myr. 盘存活时间长更有利于行星形成, 长寿命原行星盘是寻找原行星形成的理想地 [8].
2 期刘琼等 : 寻找 AKARI/FIS 观测到的长寿命原行星盘 127 表 1 AKARI/FIS 和 Hipparcos 匹配得到的 21 个 YSO 候选体的基本参数 Table 1 The parameters of 21 YSO candidates found through cross-correlating Hipparcos catalog with AKARI/FIS YSO catalog HIPID Parameter Area B-V/ Mv/ J/ H/ Ks/ W1/ W2/ W3/ W4/ F65/ F90/ F140/ F160/ mag mag mag mag mag mag mag mag mag Jy Jy Jy Jy Sp-type 21479 b 0 1.5 1.6-2.652-3.732-4.227 0.97 0.19-2.91-5.68 205.64 107.37 31.42 25.45 M8e 22925 a 0 0.8 3.3 7.199 6.558 5.990 5.07 4.24 2.58-0.10 9.89 8.80 10.23 8.88 G2IIIe 23143 a 0 0.2 2.1 6.865 6.262 5.527 4.91 3.73 1.61 0.08 10.17 11.73 11.85 10.68 A2 23633 b 0 0.2 1.6 7.092 7.027 6.982 6.90 6.94 5.82 3.29 0.95 1.72 2.73 0.41 A2 24052 e 0 0.1 1.5 7.279 7.346 7.299 7.27 7.32 6.21 2.66 3.75 4.20 3.70 0.93 B9 25793 a 0 0.3 1.7 7.221 6.560 5.804 4.60 3.56 2.12-0.17 20.80 18.25 8.71 13.39 A3 26295 a 0 0.7 5.5 7.926 7.060 6.173 5.32 4.32 1.84-0.79 15.89 16.25 10.30 5.60 A7IVe 27321 e 0 0.2 2.4 3.669 3.544 3.526 3.66 3.00 2.67 0.05 15.72 12.10 5.88 2.95 A3V 28582 a 0 0.0 0.6 8.475 7.528 6.635 5.63 4.63 2.42 0.05 4.25 6.05 7.96 5.55 A0 28816 f 0 0.2-2.7 2.904 2.105 1.671 3.45 1.54-1.31-2.12 10.63 5.72 3.95 0.20 Apshell 54413 a 0 0.4 2.2 7.267 6.665 5.491 5.02 4.30 1.40-1.31 71.36 66.04 49.58 53.67 A0pshe 64569 d 0 1.3 1.3-0.356-1.606-2.003 2.08 1.19-2.46-3.88 52.12 23.02 5.83 4.25 M7III 67419 d 0 1.4 2.2-1.737-2.689-3.215 1.49 0.51-2.76-5.54 166.98 82.06 32.66 24.31 M7e 77542 c 0 0.1 2.1 6.872 6.861 6.821 6.68 6.47 4.81 1.85 6.52 3.92 3.91 3.10 B9 77662 g 1 0.8 0.8 9.017 8.082 7.572 6.07 4.47 0.28-1.52 13.21 10.52 4.74 0.81 F5III 78317 a 1 0.9 6.2 8.546 7.690 6.976 6.20 5.27 3.64 1.39 4.76 5.15 6.27 5.19 G0V 80704 d 0 1.3-0.4-0.955-1.850-2.134 2.25 0.92-2.46-2.96 15.68 10.28 3.26 0.12 M6III 80763 e 0 1.9-5.3-2.850-3.725-4.100 0.87 0.46-2.54-5.18 90.63 36.95 10.61 12.46 M1Ib 90701 e 0 0.3 0.7 8.119 8.113 8.033 7.85 7.87 7.96 8.53 1.49 2.31 14.41 21.30 B9.5III 91477 d 0 0.9 2.6 7.859 7.632 7.362 7.04 6.89 5.22-0.02 19.10 16.20 7.16 5.59 A3:Ia 94289 h 1 1.0 1.1 8.578 8.179 7.732 7.12 6.57 4.70 0.49 26.23 28.61 16.75 8.82 WN...
128 天文学报 56 卷 图 2 长寿命原行星盘候选者 HIP 26295 和 HIP 78317 的能谱分布图. 图中用灰色线表示的模型反映了源的质量和年龄 的拟合误差. Fig. 2 The spectral energy distributions of HIP 26295 and HIP 78317 with long-lived protoplanetary disks. The mass and age errors of central objects are calculated with the models plotted as gray lines. 参考文献 [1] Schulz N S. From Dust to Stars. Chichester: Praxis Publishing, 2005: 113-140 [2] Kawada M, Bara H, Barthel P D, et al. PASJ, 2007, 59: 389 [3] Yamamura I. cosp, 2010, 38: 2496 [4] Tóth L V, Marton G, Zahorecz S, et al. PASJ, 2014, 66: 17 [5] Bessell M S. PASP, 2000, 112: 961 [6] Armitage P J. 2007, arxiv: astro-ph/0701485 [7] Haisch K E, Lada E A, Lada C J, et al. ApJ, 2001, 553: 153 [8] Lawson W A, Lyo A R, Muzerolle J. MNRAS, 2004, 351: 39 [9] Perryman M A C, Lindegren L, Kovalevsky J, et al. A&A, 1997, 323: 49 [10] Liu Q, Wang T G, Jiang P. AJ, 2014, 148: 1 [11] D Antona F, Mazzitelli I. MmSAI, 1997, 68: 807 [12] Favata F, Micela G, Sciortino S, et al. A&A, 1998, 335: 218 [13] Flower P J. ApJ, 1996, 469: 355 [14] Liseau R, Lindroos K P, Fischerström C. A&A, 1987, 183: 274 [15] Manset N, Bastien P, Ménard F, et al. A&A, 2009, 499: 137 [16] Skrutskie M F, Cutri R M, Stiening R, et al. AJ, 2006, 131: 1163 [17] Wright E L, Eisenhardt P R M, Mainzer A K, et al. AJ, 2010, 140: 1868 [18] Liu Y, Madlener D, Wolf S, et al. RAA, 2013, 13: 420 [19] Siess L, Dufour E, Forestini M. A&A, 2000, 358: 593
2 期刘琼等 : 寻找 AKARI/FIS 观测到的长寿命原行星盘 129 Hunting for Long-lived Protoplanetary Disks Observed with AKARI/FIS LIU Qiong 1,2 LIU Yao 3 (1 Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, Hefei 230026) (2 Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230026) (3 Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008) ABSTRACT Twenty-one YSO (Young Stellar Object) candidates in the solar neighbor have been identified through cross-correlating Hipparcos catalog with AKARI/FIS YSO catalog. The reliability of the match is over 90%. The central objects cover spectral types from B to M. The Hipparcos parallaxes enable us to place the objects in the H-R diagram, which can be used to determine their ages by isochrones. Among these objects, two YSOs have been found whose ages are larger than 10 Myr. The optical to infrared spectral energy distributions (SEDs) of these two YSOs are consistent with those of type II YSOs with protoplanetary disks. Furthermore, from the SED fitting, the ages of these two sources are constrained to (14.1 ± 4.2) Myr and (16.8 ± 4.4) Myr, respectively. Therefore, two YSO candidates with long-lived protoplanetary disks have been detected in AKARI/FIS. The presence of long-lived protoplanetary disks has significant implications for the formation of planets and their host stars. Key words stars: pre-main sequence, protoplanetary disks, parallaxes