[論文レビュー] A new formation scenario of a counter-rotating circumstellar disk: spiral-arm accretion from a circumbinary disk in a triple protostar system

Daisuke Takaishi, Yusuke Tsukamoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、三重原始星系において、第三の原始星が原始星間円盤の破壊によって形成され、その後原始星間円盤からの渦巻状アーム降着によってその円盤の回転方向が反転する新しい形成メカニズムを提案する。反転した回転は約64,000年間持続され、磁場や初期の不整合を必要とせず、ALMA観測で観測された反転回転円盤を説明する、流体力学的プロセスに基づく経路を提供する。

ABSTRACT

We present the evolution of rotational directions of circumstellar disks in a triple protostar system simulated from a turbulent molecular cloud core with no magnetic field. We find a new formation pathway of a counter-rotating circumstellar disk in such triple systems. The tertiary protostar forms via the circumbinary disk fragmentation and the initial rotational directions of all the three circumstellar disks are almost parallel to that of the orbital motion of the binary system. Their mutual gravito-hydrodynamical interaction for the subsequent $\sim10^4 hinspace m{yr}$ greatly disturbs the orbit of the tertiary, and the rotational directions of the tertiary disk and star are reversed due to the spiral-arm accretion of the circumbinary disk. The counter-rotation of the tertiary circumstellar disk continues to the end of the simulation ($\sim6.4 imes10^4 hinspace m{yr}$ after its formation), implying that the counter-rotating disk is long-lived. This new formation pathway during the disk evolution in Class 0/I Young Stellar Objects possibly explains the counter-rotating disks recently discovered by ALMA.

研究の動機と目的

• ALMAが最近観測した若い二重星系における反転回転円盤の起源を説明すること。
• このような反転回転円盤が、三重原始星系において純粋に流体力学的プロセスによって形成可能かどうかを調査すること。
• 原始星間円盤からの渦巻状アーム降着が、第三の原始星の周囲円盤の回転方向を反転させられるかどうかを特定すること。
• 進化中のクラス0/I系において、このような反転回転円盤の長期的安定性と生存可能性を評価すること。

提案手法

• 100万個の粒子を用いた3次元滑らか化粒子力学（SPH）を用いて、乱流的で磁場のない分子雲コアの崩壊をシミュレーションした。
• SPH粒子の密度が ρsink = 4 × 10⁻⁸ g cm⁻³ を超えた際に形成されるSink粒子を用いて、円盤の形成と進化を追跡した。
• 円盤をSinkに重力的に束縛されており、100 au以内にあり、接線速度が径方向速度の200倍以上であるSPH粒子として周囲円盤を特定した。
• 時間分解能のある表面密度および速度場解析を通じて、回転方向の反転をモニタリングした。
• 3次元可視化ツール（SPLASH）を用いて補足映像を作成し、円盤の運動学的特性を分析した。
• 密度加重平均線速度および表面密度等高線を用いて円盤の性質を定量化し、反転回転を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋に流体力学的プロセスによって、三重原始星系における反転回転円盤が形成可能か？
• RQ2 第三の原始星の円盤回転方向が反転する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 原始星間円盤からの渦巻状アーム降着が、反転回転を誘発し持続させるのに十分か？
• RQ4 動的に進化する三重系において、反転回転円盤はどの程度の期間生存可能か？
• RQ5 形成経路は軌道共鳴に依存するのか、それとも渦巻状アームとの偶然的接近に依存するのか？

主な発見

• 第三の周囲円盤（csd3）は、原始星間円盤からの渦巻状アーム降着によって、二重星系および主円盤に対して反転回転に変化した。
• 反転回転は、シミュレーションの残りの期間（形成後約64,000年間）にわたり持続され、長期的安定性を示した。
• 回転方向の反転は、第三の原始星が原始星間円盤の渦巻状アームの後方を通過した際に発生し、その結果としてネットで反転回転の降着が生じた。
• csd3に属するSPH粒子は、反転フェーズ中にはほとんどが原始星間円盤から供給されたが、その後の接触ではほとんど供給がなかった。
• 線速度方向投影（図6）では、csd3のブルーシフト成分とレッドシフト成分が、csd1およびcsd2とは反平行に配置されており、反転回転が確認された。
• このメカニズムは磁場を必要とせず、重力流体力学的相互作用および原始星間円盤内の渦巻状構造にのみ依存している。