[論文レビュー] First 3-D grid-based gas-dust simulations of circumstellar disks with an embedded planet

Fabian Binkert, J. Szulágyi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

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

ひとこと要約

本研究は、埋め込まれた惑星を伴う原始惑星系円盤の3次元グリッドベースの流体力学的シミュレーションを初めて実施し、ガスと1-mmダストの動的挙動を連成的に解析した。その結果、惑星がダストの垂直方向の攪拌を引き起こし、ダスト円盤を厚くするメカニズムが明らかになった。このため、ALMAによる質量推定値は、真の円盤質量を最大10倍まで低く見積もることになり、これまでの光学的薄い仮定に基づく推定値よりも、円盤がはるかに質量を有している可能性があることを示唆している。

ABSTRACT

Substructures are ubiquitous in high resolution (sub-)millimeter continuum observations of circumstellar disks. They are possibly caused by forming planets embedded in the disk. To investigate the relation between observed substructures and young planets, we perform novel three-dimensional two-fluid (gas+1-mm-dust) hydrodynamic simulations of circumstellar disks with embedded planets (Neptune-, Saturn-, Jupiter-, 5 Jupiter-mass) at different orbital distances from the star (5.2AU, 30AU, 50AU). We turn these simulations into synthetic (sub-)millimeter ALMA images. We find that all but the Neptune-mass planet open annular gaps in both the gas and the dust component of the disk. We find that the temporal evolution of the dust density distribution is distinctly different of the gas'. For example, the planets cause significant vertical stirring of the dust in the circumstellar disk which opposes the vertical settling. This creates a thicker dust disk than disks without a planet. We find that this effect greatly influences the dust masses derived from the synthetic ALMA images. Comparing the dust disk masses in the 3D simulations and the ones derived from the 2D ALMA synthetic images, we find the former to be a factor of a few (up to 10) larger, pointing to that real disks might be significantly more massive than previously thought based on ALMA continuum images using the optically thin assumption and equation. Finally, we analyze the synthetic ALMA images and provide an empirical relationship between the planet mass and the width of the gap in the ALMA images including the effects of the beam size.

研究の動機と目的

• 3次元2流体流体力学を用いて、埋め込まれた惑星が原始惑星系円盤内の構造をどのように形成するかを調査すること。
• 惑星の重力トルクがダスト分布に与える影響、特に垂直方向の攪拌とギャップ形成の影響を特定すること。
• 標準的な光学的薄い仮定を用いたALMAによるダスト質量推定の信頼性を評価すること。
• 観測されたALMAのギャップ幅と惑星質量との間の定量的経験的関係を確立すること。
• 乱流や温度といった円盤の性質が、惑星ギャップの形状と観測可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 木星質量から5倍の木星質量までの異なる質量の惑星を埋め込んだ原始惑星系円盤の3次元グリッドベースの流体力学的シミュレーションを実施。
• ガスと1-mmダストの動的挙動を連成的にモデル化する2流体法を採用し、ダストがガスに与えるフィードバックも含む。
• 軌道半径を5.2 AU、30 AU、50 AUの異なる条件でシミュレーションし、軌道距離の影響を評価。
• 3次元シミュレーション出力から合成されたALMA画像に放射輸送を適用し、実際の観測を模擬。
• 全3次元シミュレーションと2次元ALMAモック画像の両方から、標準的な光学的薄い公式を用いて円盤質量を導出。
• ビームサイズや円盤パラメータを考慮した上で、観測されたALMAギャップ幅と惑星質量との間の経験的関係をフィッティング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込まれた惑星は、3次元原始惑星系円盤におけるダストの垂直構造と密度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 惑星によるダストの垂直方向攪拌は、ALMA観測から推定されるダスト円盤質量にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 ALMA画像におけるギャップ幅と惑星質量の相関関係は何か？観測から惑星質量を推定するのに利用可能か？
• RQ4 乱流や温度は、ダスト連続スペクトルにおける惑星ギャップの形状と観測可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 埋め込まれた惑星を有する円盤に標準的な光学的薄いダスト質量公式を適用した場合、どの程度のバイアスが生じるか？

主な発見

• ネプチューン質量の惑星を除くすべての惑星が、ガスおよびダストの両成分で環状ギャップを形成し、ギャップの幅と深さは時間とともに変化する。
• ダストギャップの深さは初期に増加し、その後減少する傾向を示すが、ガスギャップは時間とともに一貫して深くなる。
• 惑星はダストの顕著な垂直方向攪拌を引き起こし、惑星なしの系と比較してダスト円盤をより厚くする。これは垂直沈降を相殺する。
• ALMAモック画像から導出されたダスト円盤質量は、真の3次元質量よりも系統的に低く、システムに応じて2倍から10倍の低く見積もられる。
• この差異は、質量の小さい惑星を有するシステムで顕著であり、軌道距離にかかわらず一般に観察されるバイアスを示しており、標準的な質量推定法に根本的な問題があることを示唆する。
• 軌道半径、円盤の乱流、温度を考慮したALMAギャップ幅と惑星質量との間の経験的関係を確立し、将来的な惑星質量制約に応用可能である。