[論文レビュー] Dispersal of protoplanetary discs: How stellar properties and the local environment determine the pathway of evolution

Gavin A. L. Coleman, Thomas J. Haworth|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用数 53

ひとこと要約

本研究は、内部および外部の光蒸発が粘性的に進化する原始惑星系円盤に及える複合的影響をモデル化し、内側から外側への消滅、外側から内側への消滅、および内側に残存する物質を伴う中間的状態を含む5つの明確に異なる消滅経路を特定した。主な発見は、高紫外線環境では外側円盤の迅速な消滅により遷移円盤の形成が抑制されることで、オリオン星雲集団のような領域で遷移円盤が希少であることが説明できるということである。

ABSTRACT

We study the evolution and final dispersal of protoplanetary discs that evolve under the action of internal and external photoevaporation, and different degrees of viscous transport. We identify five distinct dispersal pathways, which are i) very long lived discs ($>20\,$Myr), ii) inside-out dispersal where internal photoevaporation dominates and opens inner holes, iii) outside-in dispersal where external photoevaporation dominates through disc truncation and two intermediate regimes characterised by lingering material in the inner disc with the outer disc dispersed predominantly by either internal or external photoevaporation. We determine how the lifetime, relative impact of internal and external winds and clearing pathway varies over a wide, plausible, parameter space of stellar/disc/radiation properties. There are a number of implications, for example in high UV environments because the outer disc lifetime is shorter than the time-scale for clearing the inner disc we do not expect transition discs to be common, which appears to be reflected in the location of transition disc populations towards the Orion Nebular Cluster. Irrespective of environment, we find that ongoing star formation is required to reproduce observed disc fractions as a function of stellar cluster age. This work demonstrates the importance of including both internal and external winds for understanding protoplanetary disc evolution.

研究の動機と目的

• 星の性質と局所的環境が原始惑星系円盤の進化と消滅にどのように統合的に影響を与えるかを理解すること。
• 集団における観測的スナップショットと継続的な星形成のため、円盤寿命を推定する課題を解決すること。
• 中心星からの内部光蒸発（X線／EUV）と近隣の大質量星からの外部光蒸発（FUV）の間の相互作用が円盤進化に与える影響を調査すること。
• 円盤寿命の微調整なしに、観測された円盤率と遷移円盤の出現頻度を再現できるかどうかを特定すること。
• 粘性輸送の役割と、広範なパラメータ空間におけるその消滅経路への影響を評価すること。

提案手法

• 時間に依存する表面密度の進化を記述する拡散方程式に従う1次元の粘性円盤モデルを用いる。
• 中心星からの内部光蒸発（中心星からのX線およびEUV）と、近隣の大質量星からの外部光蒸発（FUV）による質量損失を組み込む。
• 各半径で内部および外部光蒸発率の最大値を適用する： ẟΣPE(r) = max(ẟΣI,EUV, ẟΣI,X, ẟΣE,FUV)。
• 観測的に妥当なパラメータ空間において、星の質量、内部X線放射度、外部FUV放射度、および粘性係数（α）を広く変動させる。
• 時間経過に伴う円盤進化を追跡し、消滅の順序（内側から外側 vs. 外側から内側）に基づいて明確な消滅経路を特定する。
• 内側から外側への消滅と外側から内側への消滅の区別に用いる「消滅半径」を経験的に定義し、中間状態を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部および外部光蒸発が共に作用する場合、原始惑星系円盤の主な消滅経路は何か？
• RQ2 星の質量、内部X線放射度、外部FUV放射度が、円盤の消滅時間スケールと経路にどのように統合的に影響を与えるか？
• RQ3 オリオン星雲集団のような高紫外線環境ではなぜ遷移円盤が希少であり、これは外部光蒸発によって説明可能か？
• RQ4 継続的な星形成が、集団の年齢に応じた観測された円盤率にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 非常に長寿命な「ピーター・パン」円盤（>40 Myr）の存在は、内部および外部光蒸発率が低い場合にのみ説明可能か？

主な発見

• 5つの明確に異なる消滅経路が特定された：(i) 20 Myr以上の長寿命円盤、(ii) 内部光蒸発による内側から外側への消滅、(iii) 外部光蒸発による外側から内側への断片的削除、(iv) 縮小された内側領域に継続的な降着を伴う内側から外側への消滅、(v) 一時的なギャップを伴う外側から内側への消滅。
• 高紫外線環境では、外側円盤が内側円盤よりも速く消滅するため、内側に空洞を持つ遷移円盤は希少となり、オリオン星雲集団の観測結果と整合的である。
• 継続的な星形成が、時間経過に伴う観測された円盤率を再現するために不可欠である。星形成がなければ、特に最初の約3 Myrの間に円盤率が速やかに低下しすぎる。
• 両方の光蒸発率が低い場合にのみ、モデルは「ピーター・パン」円盤（>40 Myr）の希少性を再現できる。これは、遮蔽され、静穏な環境を必要とするという意味である。
• 円盤率に与える環境の影響は、最初の約3 Myrに最も顕著であり、その後は弱い継続的星形成が低下を支配する。
• 高粘性・高内部光蒸発モデルは、低粘性円盤における磁気力学的（MHD）風駆動消滅の代理として機能しうる。これは、MHD風が存在しなくても主要な結果を再現可能であることを示唆している。