[論文レビュー] Formation of Jupiter and Conditions for Accretion of the Galilean Satellites

P. R. Estrada, I. Mosqueira+3 more|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 195被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、木星の準惑星円盤——ガリレオ衛星の形成に不可欠な存在——が、二段階の段階を経て進化すると提案している。最初の段階は、低角運動量ガス降着によるギャップ形成以前に形成される、コンactで質量の大きな円盤であり、二番目の段階は、ギャップ形成後に高角運動量ガス流入によって生じる、より広がって質量が小さい円盤である。主な結果として、木星と円盤間の角運動量の分配と、小惑星の供給が、現実的な降着および乱流条件下でも衛星形成を可能にする。

ABSTRACT

We present an overview of the formation of Jupiter and its associated circumplanetary disk. Jupiter forms via a combination of planetesimal accretion and gravitational accumulation of gas from the surrounding solar nebula. The formation of the circumjovian gaseous disk, or subnebula, straddles the transitional stage between runaway gas accretion and Jupiter's eventual isolation from the solar disk. This isolation, which effectively signals the termination of Jupiter's accretion, takes place as Jupiter opens a deep gas gap in the solar nebula, or the solar nebula gas dissipates. We describe the conditions for accretion of the Galilean satellites, including the timescales for their formation, and mechanisms for their survival, all within the context of key constraints for satellite formation models. The environment in which the regular satellites form is tied to the timescale for circumplanetary disk dispersal, which depends on the nature and persistence of turbulence. In the case that subnebula turbulence decays as gas inflow wanes, we present a novel mechanism for satellite survival involving gap opening by the largest satellites. On the other hand, assuming that sustained turbulence drives subnebula evolution on a short timescale compared to the satellite formation timescale, we review a model that emphasizes collisional processes to explain satellite observations. We briefly discuss the mechanisms by which solids may be delivered to the circumplanetary disk. However, we expect that planetesimal delivery mechanisms likely provide the bulk of material for satellite accretion.

研究の動機と目的

• 木星の準惑星円盤（サブネブリュラ）の形成と、ガリレオ衛星形成におけるその役割を理解すること。
• 原始惑星系円盤における深さのあるガスギャップの有無が、円盤のサイズ、質量、角運動量分布に与える影響を特定すること。
• 特に小惑星の破壊と捕獲を通じた、固体が準惑星円盤に供給されるメカニズムを評価すること。
• 乱流の持続が、衛星形成の時間スケールおよび生存メカニズムに与える影響を評価すること。
• 現実的な物理的制約のもとで、衛星系の性質——軌道の間隔や組成——を、形成モデルと整合させる。

提案手法

• 小惑星およびガス降着を組み込んだ1次元降着モデルを用いて、木星の成長をシミュレートし、宇宙間の2%の光学厚さと固体の表面密度10 g cm⁻²を現実的に反映する。
• 降着過程における惑星質量、光度、角運動量の変化を追跡し、ゆっくりな蓄積、ランウェイ成長、最終的静止の段階への移行を特定する。
• ガス流入の特定角運動量に応じた準惑星円盤の形成をモデル化し、ギャップ形成前後における降着段階を区別する。
• 乱流の2つの状況——持続的乱流（サブネブリュラの急速な進化を引き起こす）と減衰的乱流（質量の大きな衛星によるギャップ形成を可能にする）——における円盤進化を分析する。
• 供給領域における衝突的摩耗を通じた小惑星の供給を評価し、重力的捕獲や焼却によって円盤への質量移動を推定する。
• 木星と円盤間の角運動量配分を比較し、等分配モデルの妥当性と、円盤質量およびサイズに与える影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤における深さのあるガスギャップの形成が、準惑星円盤のサイズと質量にどのように影響するか？
• RQ2 降着過程において、木星とその準惑星円盤との間で角運動量がどのように分配されるかを決定する要因は何か？
• RQ3 ガリレオ衛星を形成するのに十分な固体が、準惑星円盤に供給されるメカニズムは何か？
• RQ4 サブネブリュラにおける乱流の仮定が異なると、衛星形成の時間スケールおよび生存にどのような影響を与えるか？
• RQ5 時間的に進化する円盤における小惑星駆動型降着によって、観測されたガリレオ衛星の軌道的構造と組成を説明できるか？

主な発見

• ガス降着は三段階に分けられる：ゆっくりな蓄積、急激なランウェイ成長、最終的減少。ピーク光度と降着率は2.5 Myr直前ごろに観測される。
• ギャップ形成以前には、低特定角運動量ガス流入により、ガリレオ衛星の軌道と同等のサイズを持つコンパクトで質量の大きな準惑星円盤が形成される。
• ギャップ形成後は、高特定角運動量ガス流入により、より広がったが質量が小さい円盤が形成される。これは角運動量制約に起因する。
• 初期段階では、惑星と円盤間の角運動量の等分配により円盤が質量を有するが、ガス流入の減少に伴い進化する。
• 小惑星の供給——衝突的摩耗と重力的捕獲を通じて——が、衛星形成に必要な物質の大部分を供給する可能性が高く、ガスに巻き込まれたダストによる供給ではない。
• 衛星の生存に二通りの有効な経路が存在する：(1) 減衰的乱流環境下で質量の大きな衛星がギャップを形成する場合、(2) 持続的乱流環境下で衝突的処理が行われる場合。