28
Debris Disks and the FIR Surveyor: New insights into the formation and evolution of planetary systems Kate Su Steward Observatory University of Arizona Debris Disks and the FIR Surveyor Kate Su FIR SIG Webinar 2016/08/19

Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Debris Disks and the FIR Surveyor: New insights into the formation and evolution of 

planetary systems

Kate Su Steward ObservatoryUniversity of Arizona

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 2: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Outline  What are debris disks and why study them? 

They are our best tools  to study the full duration 

of planetary system evolution

Good tracers of planet formation

Planet‐Disk Interaction – how to use disk structures 

to infer the properties of unseen planet(s) 

Potentials for the FIR Surveyor  

Summary of Debris Disk Science Theme 

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 3: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Definition of Debris Disks 

• very little gas, mainly km‐size solid material

• dust replenished by collisions or cometary activity 

• forces/processes in play include: collisions, radiation blow out, drag forces (P‐R drag, stellar wind drag…) 

planets?

star

2nd generation dust

radial distance

edge‐on view of an optically thin dust disk

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 4: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

• More than 400 debris disks known within 100 pc.• Most disks are unresolved (only a few dozens are resolved), and 

only broad‐band Spectral Energy Distributions (SEDs) are available to determine the disk properties.

Great Facilities to Study Planetary Debris DisksIRAS Spitzer WISE Herschel

SOFIA ALMAHubble

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 5: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

?? ?

disk halo

, ~

edge‐on view of nearby     planetary debris disks

distance, r, increases

distance not to scale

Dust Zones Revealed by Existing Observations

1500 K

300 K terrestrial 

zone

150 K asteroidal

zone

50 K Kuiper‐belt 

zone

2 m     10 m           24 m                                                           60‐70 m  very hot     hot warm cold   

peak wavelength of emission Su & Rieke 2014

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 6: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Debris Disks: Tracers of Planet Formation

1. A peak in inner debris disks activity at 10‐20 Myr, when terrestrial planets are being built

2. Period of Late Heavy Bombardment LHB

3. Occasional major collisions such as the formation of our Moon and Pluto‐Charon system

dust  level at 2

4 m

Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems:

symbols: debris systems around stars in the field and clusterslines: terrestrial planet formation models by Genda+2015

LHB

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 7: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Signpost of Exoplanets

Current search methods are strongly biased. 

Look for solar analogs that have giant planet at large radial distance. The existence of habitable terrestrial planets relies on gas giants remaining at large orbital radii.  

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 8: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Planet‐Disk Interaction ‐ structures created by planet(s) • Particle Distribution in the Solar System

with planets

J

SUN

without planets

KB

Liou & Zook 1999

• Expected Dust Density Distribution in the presence of a Planetplanet: mass, eccentricity and inclination

Deller & Maddison (2005)

3 MEarth

1 MNep

1 MJup

e=0 e=0.1 e=0.3

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 9: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Debris/Fragments Evolution due to a Large Impact 

0.2 orbit 2 orbits

200 orbits 10,000 orbits

xx

x x

Jackson et al. (2014) • 1st orbit – clump• 2‐10 orbits – spiral• After 10 orbits – smooth 

asymmetric disk lasting for 1000 orbits  

curtesy of A. Jackson

consistent with varable disk emission in extreme debris disks (Meng, Su+2014)

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 10: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

The  Pic Disk – clump

II: Resonance due to unseen planet 

>10  ⊕planet at 54 AU

I: Giant impact

A planet with a few Mars mass

ALMA 870 m dust continuum

ALMA CO (3‐2) map

Dent et al. 2014

CO P‐V map

CO velocity information puts the clump at 85 AU

A clump first detected at mid‐IR (Telesco+2005) is detected at 870 m dust continuum and CO (3‐2) line  

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 11: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Nearby Debris Disk Structures:  Signposts for Multiple Planets 

beyond the Ice Line

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 12: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Spitzer 24 m Herschel 70 m

HR 8799 Debris Disk and its Four Giant Planets 

star

24 m

70 m

SED of HR8799

Su et al. 2009PA 60o, i 25ounresolved

Su+ 2009

Marios+2008, 2010

Matthews+ 2013

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 13: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

b

??

1500 Kvery

hot dust0.1 AU

500 K hot dust a few AU

?disk halo

170 K warm dust8‐15 AU

50 K cold dust130‐150 AU

more than250 AU

in‐situ P. B.in‐situ P. B.

grains under radiation pressure.

grains under P‐R  drag.grains under 

B trapping

Spitzer 24 m Herschel 70 m

The Fomalhaut Debris Disks ALMA 870 m

HST 0.6 m

peri‐center glow

Kalas+ 2005

Boley+ 2012Acke+2012; Su+ 2013

Stapelfeldt+ 2004; Su+ 2013

b 110 AUKalas+2008, 2013

?

? ?

not the shepherding planet

?

?

arcsec arcsec

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 14: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

A Large Disk Halo around Vega A big surprise from Spitzer! 

Different Grain Populations:

• a parent‐body belt confined in a birth ring

• small grains driven outward by radiation pressure forming an extended disk halo

24 m 70 m

Vega Disk (Su et al. 2005) 

1600 AU

350 m (Marsh et al. 

2006)

all images are in same 

orientation and physical scale

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 15: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Vega also has a central Warm Component 

solid: star+diskdashed: disk only

Herschel PACS 70 m SpitzerMIPS 24 m 

Saturated! photosphere subtracted

solid: star+diskdashed: disk only

Herschel PACS 70 m 

photosphere subtracted

Su et al. 2013

after phot. sub.

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 16: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

The Vega Debris Disk 

Su et al. 2013

Spitzer 24 m Herschel 70 m Herschel 160 m

saturated! 

A0Vstar

many direct imaging surveys 

tried to find planets without success.   

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 17: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Implication ‐ the Structure of Vega’s Debris Disk 

One single object on a circular orbit   100 

One single object on an eccentric orbit   ~0.8 ≪ 0.1

The gap is too large to  be explained by one single circular perturber!

Ground‐based high‐contrast imaging searches (Marois et al. 2006; Heinze et al. 2008) should have 

fount it! (current mass limit ~3 )

• A large dust‐free zone between belts may be maintained by one or multiple planet‐mass objects. 

• Chaotic zone formulae: 

∆ ~1.5 ⁄ circular orbit

∆ ~1.8 ⁄ ⁄ eccentric orbit

face‐on view

 

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 18: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Solar System x 4

Vega System

face‐on view

 face‐on view

 edge‐on view

 edge‐on view

 

Outer dust belt has low eccentricity, so at least two low‐mass planets are needed to maintain mostly circular dust belts: one just interior the cold outer belt, and one just outside the warm inner belt. 

Implication ‐ the Two‐Component Debris Disks 

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 19: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Detailed Excess SEDs + Resolved Images: Symbols: observations purple: HR 8799;   green: Vega; blue: Fomalhaut;  red:  Eri

Signposts for Multiple Planets beyond the Ice Line

HR 8799

Fomalhaut

Vega

150K 50K

L*

1 Lsun

17Lsun

36Lsun

6Lsun

Eri

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 20: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

How Much We Learn from New Capabilities IRAS + ISO eracold Kuiper belt

point source(1983)

Spitzer eracold Kuiper belt + 

disk halo

large disk 

(2005)

Spitzer/Herschel eracold Kuiper belt +    

warm Asteroid belt + disk halo

multiple components 

(2013)Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 21: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

model          1 beam        2 beam          4 beam        10 beam

How Much Information can be Extracted?Resolability = Diameter / FWHM of the Beam

Resolved by 2 beam: minimum to detect modest asymmetry in the disk 4 beam: minimum to pin down the belt location and the sharpness of the belt  Put strong constraints on the mass of the sculpting planet

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 22: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

0 50 100 150Distance (pc)

0.1

1.0

10.0

Ang

ular

Rad

ius

(arc

sec)

Herschel 2 beams

Herschel Resolved Disks2‐3 dozens of debris disks are resolved by Herschel/PACS at 70/100 m 

1 dozens of them are resolved by more than 2 beams.

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 23: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

0 50 100 150Distance (pc)

0.1

1.0

10.0

Ang

ular

Rad

ius

(arc

sec)

2 beamsw/ 10 m

4 beams

10 beams

Expected Disk Sizes from Known Debris DisksDisk sizes are estimated by a relationship between the observed dust temperatures and spectral types of stars, derived from Herschel results Pawellek+2014.

A beam size of 1”, FIRS can easily resolve nearby 150 disks by more than 2 beams, and 50 disks by more than 10 beams, i.e., 10 times more than what Herschel has done. 

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 24: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

101 102 103 104

Age (Myr)

0.1

1.0

10.0

Ang

ular

Rad

ius

(arc

sec)

2 beamsw/ 10 m

4 beams

10 beams

Expected Disk Sizes from Known Debris DisksDisk sizes are estimated by a relationship between the observed dust temperatures and spectral types of stars, derived from Herschel results Pawellek+2014.

terrestrial planet building late heavy bombardment

SS

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 25: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

Known Debris Disks are the Tip of the Iceberg

current sensitivity limit

Expected FIRS sensitivity

our KB A Huge Discovery Space!  

A large, cryogenic cold telescope can discover more debris disks and provide a census of true KB analogs, putting our SS into context.

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 26: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

How Much We Learn from New Capabilities Spitzer/Herschel era

cold Kuiper belt +    warm Asteroid belt + 

disk halo

multiple components

future image with FIR Surveyor (2035?)

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 27: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

• Planetary Architecture – Is our Solar System an Outlier?o Use debris disk structures to find and characterize the masses and 

orbits of exoplanets not found by 2030 with other measurement technique

o Use debris disk structures to constrain planet formation and migration history

o Demographic studies of debris disks (disk brightness vs. other parameters: spectral type, metallicity, presence of known planets, stirring mechanisms)  

• Composition in Debris Disks o Gas in debris disks – origins? composition of exo‐comets o Dust mineralogy – silicates, ices, and calcites…etc, hydro‐material?

formation and transportation history, link to protoplanetary disks

• Planetary Systems beyond Main Sequenceo Detecting the reservoir of surviving asteroids and KBOs 

Debris Disk Science Theme

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19 

Page 28: Debris Disksand the FIR Surveyor - AstrophysicsMoon and Pluto‐ Charon system dust level at 24 m Debris Disks trace a pattern of development similar to the Solar Systems: symbols:

FIR Surveyor Science Themes• Tracing the signatures of life and the ingredients of habitable worlds: 

trace the trail of water from interstellar clouds, to protoplanetary disks, to small bodies in the Solar System in order to understand the abundance and availability of water for habitable planets

• Rise of Metals, Dust, and the First Galaxies: trace the dust and metal enrichment history of the University, and probe the first cosmic sources of dust, the properties of the earlies star formation, and the birth of galaxies 

• Revealing the interplay between stars, black holes, and interstellar matter over cosmic time: understand the connection between BH growth and SF, obtain a comprehensive view of the multiphase ISM, and measure the feedback from SF and AGN over cosmic time

STDT website: http://asd.gsfc.nasa.gov/firs/ Wiki website: https://firsurveyor.atlassian.net/

Debris Disks and the FIR Surveyor  Kate Su   FIR  SIG Webinar 2016/08/19