[論文レビュー] Embryos grown in the dead zone: Assembling the first protoplanetary cores in low mass self-gravitating circumstellar disks of gas and solids

Wladimir Lyra, Anders Johansen+2 more|ArXiv.org|Jul 16, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 20被引用数 47

ひとこと要約

本稿では、低質量で自己重力を有する原始惑星系円盤内の低速領域（デッドゾーン）の縁に存在するロスビー渦に閉じ込められた固体の重力収縮が、短時間で火星サイズの原始惑星胚を形成できることを提案している。自己重力と複数の粒子種を含むグローバルシミュレーションを用いて、5軌道以内に固体が臨界密度に達し、重力束縛状態の38個の原始惑星胚が形成されることを示した。その半数が火星質量以上に達しており、粒子の効率的捕捉とドラッグ冷却のおかげである。速度分散は時間とともに約10 m s⁻¹から1 m s⁻¹未塔に低下した。

ABSTRACT

In the borders of the dead zones of protoplanetary disks, the inflow of gas produces a local density maximum that triggers the Rossby wave instability. The vortices that form are efficient in trapping solids. We aim to assess the possibility of gravitational collapse of the solids within the Rossby vortices. We perform global simulations of the dynamics of gas and solids in a low mass non-magnetized self-gravitating thin protoplanetary disk with the Pencil code. We use multiple particle species of radius 1, 10, 30, and 100 cm. The dead zone is modeled as a region of low viscosity. The Rossby vortices excited in the edges of the dead zone are very efficient particle traps. Within 5 orbits after their appearance, the solids achieve critical density and undergo gravitational collapse into Mars sized objects. The velocity dispersions are of the order of 10 m/s for newly formed embryos, later lowering to less than 1 m/s by drag force cooling. After 200 orbits, 38 gravitationally bound embryos were formed inside the vortices, half of them being more massive than Mars. The embryos are composed primarily of same-sized particles. We conclude that the presence of a dead zone naturally gives rise to a population of protoplanetary cores in the mass range of 0.1-0.6 Earth masses, on very short timescales.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤の低速領域（デッドゾーン）の縁に存在するロスビー渦に閉じ込められた固体が、原始惑星胚への重力収縮を起こすかどうかを調査すること。
• 低質量で自己重力を持つ円盤内における、センチメートル〜メートルサイズの固体からなる束縛クランプの形成における自己重力の役割を評価すること。
• ガスドラッグと粒子サイズ分布が、形成中の胚の集中度、速度分散、安定性に与える影響を検討すること。
• デッドゾーン縁におけるロスビー波不安定性が、事前の小惑星を必要としないオリガルチックな胚の形成への有効な経路を提供するかどうかを検証すること。
• グローバル円盤シミュレーションフレームワークにおいて、複数の粒子種と自己重力を含む現実的条件下でも、胚形成のロバストネスを評価すること。

提案手法

• 低粘性領域（デッドゾーン）をモデル化した薄い自己重力を持つ原始惑星系円盤におけるガスと固体のグローバルシミュレーション。Pencil Codeを用いて実施。
• ハイブリッドエプスタイン・ストークスドラッグモデルを用いてガスドラッグを扱い、粒子のドラッグがガスに与える逆作用も含めた。
• 複数のフーリエ変換に基づく粒子・メッシュ型ポアソンソルバーを用いて固体の自己重力を計算し、重力収縮の追跡を可能にした。
• サイズ依存の運動および分離を調査するため、1 cm、10 cm、30 cm、100 cmの半径を持つ複数の粒子種をシミュレーションに導入。
• 縦方向平均化された流体力学モデルを採用し、急激な粘性変化を再現するための粘性プロファイルを設定した。
• 512²グリッドセルおよび最大4×10⁵個の粒子を用いた高分解能シミュレーションにより、渦構造および胚形成ダイナミクスを解像した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力を持つ円盤におけるデッドゾーン縁のロスビー渦が、固体を効率的に捕捉し、原始惑星胚への重力収縮を引き起こすことができるか？
• RQ2 このような渦内におけるセンチメートル〜メートルサイズの固体からなる束縛クランプの形成において、自己重力が果たす役割は何か？
• RQ3 粒子サイズ分布と空気力学的分離が、形成中の胚の速度分散および構造的整合性に与える影響は何か？
• RQ4 ガスドラッグおよびガス渦からの潮汐力が、固体クランプの安定性と成長に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 本稿で提示されたメカニズムが、オリガルチック形成シナリオに整合する火星サイズに近い質量を持つ胚の集団を生成できるか？

主な発見

• 渦形成後5軌道以内に、ロスビー渦内の固体が臨界密度に達し、束縛状態の胚への重力収縮を開始した。
• 200軌道後に合計38個の重力束縛胚が形成され、その半数が火星質量（0.1–0.6 M⊕）を超えていた。
• 胚の初期速度分散は約10 m s⁻¹であったが、時間とともにガスドラッグ冷却の影響で1 m s⁻¹未塔に低下した。
• 最も質量の大きな胚は、主に1種類の粒子サイズ（例：30 cm粒子の98%）から構成されており、強いサイズ分離が生じていることが示された。
• 粒子サイズ分布が均一な胚は、より低い速度分散を示しており、安定性および整合性の向上が示唆された。
• 自己重力と粒子の逆作用の存在が、非自己重力モデルで観察されるような渦の破壊から、渦の安定化をもたらした。