[論文レビュー] Disc-protoplanet interaction Influence of circumprimary radiative discs on self-gravitating protoplanetary bodies in binary star systems

Markus Gyergyovits, Siegfried Eggl+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、二重星系における、数千体の自己重力的原始惑星と粘性・放射的周原始円盤の相互作用をシミュレートする2次元流体力学的GPU-CPUコードを提示する。両者ともに、円盤の重力とガス抵抗が原始惑星の軌道を顕著に変化させることを示しており、動的に変化する円盤は衝突速度を上昇させ、惑星形成を抑制する一方、放射冷却はより静的で安定した円盤状態を生み出し、吸着を促進する。

ABSTRACT

Context. More than 60 planets have been discovered so far in systems that harbour two stars, some of which have binary semi-major axes as small as 20 au. It is well known that the formation of planets in such systems is strongly influenced by the stellar components, since the protoplanetary disc and the particles within are exposed to the gravitational influence of the binary. However, the question on how self-gravitating protoplanetary bodies affect the evolution of a radiative, circumprimary disc is still open. Aims. We present our 2D hydrodynamical GPU-CPU code and study the interaction of several thousands of self-gravitating particles with a viscous and radiative circumprimary disc within a binary star system. To our knowledge this program is the only one at the moment that is capable to handle this many particles and to calculate their influence on each other and on the disc. Methods. We performed hydrodynamical simulations of a circumstellar disc assuming the binary system to be coplanar. Our gridbased staggered mesh code relies on ideas from ZEUS-2D, where we implemented the FARGO algorithm and an additional energy equation for the radiative cooling according to opacity tables. To treat particle motion we used a parallelised version of the precise Bulirsch - Stoer algorithm. Four models in total where computed taking into account (i) only N-body interaction, (ii) N-body and disc interaction, (iii) the influence of computational parameters (especially smoothing) on N-body interaction, and (iv) the influence of a quiet low-eccentricity disc while running model (ii). The impact velocities where measured at two different time intervals and were compared. Results. We show that the combination of disc- and N-body self-gravity can have a significant influence on the orbit evolution of roughly Moon sized protoplanets.

研究の動機と目的

• 二重星系における放射的で粘性のある周原始円盤に及ぼされる自己重力的原始惑星の影響をモデル化すること。
• 円盤の重力とガス抵抗が原始惑星の軌道的進化および衝突速度に与える影響を統合的に評価すること。
• 円盤の力学的状態（静的対比して動的に変化する状態）および数値的スムージングパラメータが惑星形成の結果に与える影響を評価すること。
• 先行研究のベンチマークモデル（例：Kley & Crida 2008）を用いて、コードの放射冷却およびトルク力のシミュレーション精度を検証すること。

提案手法

• ZEUS-2Dに基づくグリッドベースのステガードメッシュ流体力学コードに、数値的安定性を向上させるFARGOアルゴリズムを組み込んだもの。
• 放射冷却をモデル化するための透過率テーブルを備えたエネルギー方程式を導入し、円盤内の実際の熱的構造を再現可能とした。
• 数千体の原始惑星間のN体重力相互作用を高精度に計算するために、並列化されたBulirsch-Stoer積分法を採用した。
• 4つの異なるモデルをシミュレートした：N体のみ、N体＋円盤相互作用、スムージングパラメータの感度、円盤の力学的状態の影響。
• 人工的な反射を最小限に抑えるために、準ケプラーモードの回転プロファイルと減衰ゾーンを備えた反射境界条件を適用した。
• 解析的解および先行研究のベンチマークモデル（例：Kley & Crida 2008）を用いてコードを検証し、円盤温度、アスペクト比、トルクプロファイルに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力的原始惑星集団の重力的影響は、二重星系における放射的周原始円盤の進化にどのように作用するか？
• RQ2 円盤の重力とガス抵抗は、月サイズの原始惑星の軌道的進化および衝突速度にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 円盤の力学的状態（静的対比して動的に変化する状態）は、惑星形成効率および遭遇確率にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 重力スムージング長さなどの数値的パラメータは、N体および円盤相互作用シミュレーションの精度と結果にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 放射冷却は、埋め込まれた原始惑星に及ぼすトルク分布および円盤構造にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 円盤が原始惑星に及ぼす重力的影響は顕著であり、ガス抵抗のみによる予測をはるかに超えて、軌道的進化を変化させる。
• 放射冷却を伴う円盤は、局所的等温モデルと比較して、より低い離心率とより静的で安定した力学的状態を示し、吸着に有利な条件を提供する。
• 完全放射的状態における20地球質量の惑星に及ぼされる特定トルクは、Kley & Crida (2008)の結果とやや高く、断熱的状態では0.77 auで最大アスペクト比0.059を示す。
• 動的に変化する円盤では原始惑星間の衝突速度が著しく上昇し、吸着効率が低下し、場合によっては惑星形成が停止する可能性がある。
• N体シミュレーションにおけるスムージング長さは結果に強く影響し、より小さなスムージング長さは、より高い遭遇頻度とより強い重力的摂動を引き起こす。
• コードは解析的円盤温度およびアスペクト比プロファイルを良好に再現しており、高温域では非理想な透過率挙動に起因するわずかな偏差が観察される。