[論文レビュー] Gravitational Instabilities in Gaseous Protoplanetary Disks and Implications for Giant Planet Formation

R. H. Durisen, Alan P. Boss+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 58

ひとこと要約

本稿は、原始惑星系円盤内の重力不安定性（GI）がガス惑星の形成メカニズムとして機能するかどうかを検討し、不安定な円盤内での自己重力的クラスターが直接原始惑星に崩壊形成する可能性を提唱している。複数のコードを用いたシミュレーションと熱力学的モデル化により、円盤不安定性が若い系における急速な惑星形成、金属量が低い環境における長周期ガス惑星、コア質量がコア降着理論と整合しない事例を説明できることを示しており、ジュピターおよび土星のようなガス惑星の形成において、コア降着とハイブリッド的に機能している可能性を支持している。

ABSTRACT

Protoplanetary gas disks are likely to experience gravitational instabilites (GI's) during some phase of their evolution. Density perturbations in an unstable disk grow on a dynamic time scale into spiral arms that produce efficient outward transfer of angular momentum and inward transfer of mass through gravitational torques. In a cool disk with rapid enough cooling, the spiral arms in an unstable disk form self-gravitating clumps. Whether gas giant protoplanets can form by such a disk instability process is the primary question addressed by this review. We discuss the wide range of calculations undertaken by ourselves and others using various numerical techniques, and we report preliminary results from a large multi-code collaboration. Additional topics include -- triggering mechanisms for GI's, disk heating and cooling, orbital survival of dense clumps, interactions of solids with GI-driven waves and shocks, and hybrid scenarios where GI's facilitate core accretion. The review ends with a discussion of how well disk instability and core accretion fare in meeting observational constraints.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤内の重力不安定性が、自己重力的クラスターを介してガス惑星が直接形成可能かどうかを評価すること。
• 冷却、加熱、熱的自己調整の役割が、不安定性が破壊的分裂を起こすか、重力乱流に飽和するかを決定する仕組みを評価すること。
• 公転周期、金属量相関、コア質量といった観測的制約を踏まえて、円盤不安定性とコア降着を比較すること。
• コア降着が極めて遅いために効率的に惑星を形成できない低質量星（M型矮星）において、円盤不安定性が惑星形成に有効であるかを調査すること。

提案手法

• 不安定性の判定にToomreのQパラメータ $ Q = c_s\kappa / \pi G\Sigma $ を用い、$ Q < 1 $ であれば不安定と判断する。
• FLASH、SPH、メッシュの適応的リファインを含む複数のコードを用いた流体力学的シミュレーションにより、GI駆動のスパイラル波およびクラスター形成の非線形的進化をモデル化する。
• 衝撃波とトルクによる重力加熱と放射・対流冷却のバランスを取ることで、熱的自己調整を分析する。
• 非線形モード結合と重力乱流を検討し、不安定な円盤内での角運動量および質量輸送の理解を深める。
• 冷却 timescale と公転周期の比に基づく円盤の破壊基準を適用し、$ t_{\text{cool}} \lesssim 1 $ 回転周期の場合はクラスター形成が促進される。
• 複数のシミュレーションコードの結果を比較し、若い恒星系や系外惑星集団からの観測的制約を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤内の重力不安定性が、自己重力的クラスターを形成し、それがガス惑星に進化する可能性はあるか？
• RQ2 円盤の冷却速度が重力不安定性の結果に与える影響は何か？　クラスターへの破壊的分裂か、重力乱流への飽和かのどちらが生じるか。
• RQ3 円盤不安定性は、観測された系外惑星の公転周期分布と金属量相関をどの程度説明できるか？
• RQ4 M型矮星ではなぜガス惑星が一部のケースでより多く見られるのか？　コア降着が遅いために、円盤不安定性がその理由を説明できるか？
• RQ5 ジュピターと土星の観測されたコア質量は、円盤不安定性理論とコア降着理論の予測とどのように一致するか？

主な発見

• GI活性な円盤では熱的自己調整が $ Q \approx 1 $ を維持し、非線形振幅は冷却速度によって制御される。このことは複数のコードによるシミュレーションで裏付けられている。
• 急速な冷却（$ t_{\text{cool}} \lesssim 1 $ 回転周期）は、自己重力的クラスターへの円盤破壊を引き起こし、ガス惑星の原始惑星の直接形成を可能にする。
• 円盤不安定性は1 Myr以内にガス惑星を形成可能であり、CoKu Tau/4 や GQ Lup といった若い星で質量の大きな惑星の痕跡が観測されていることと整合する。
• ジュピターの低コア質量（約3 M⊕）と土星の高いコア質量（約15 M⊕）は、円盤不安定性と整合的だが、標準的なコア降着理論とは整合しない。これはコアの侵食が必要である可能性を示唆する。
• 円盤不安定性はM型矮星がガス惑星を有することを予測するが、コア降着はその効率が低いためにそれらを効率的に形成できない。このため、M型矮星の周囲にジュピターが少ないという観測的事実を説明できる。
• OB連星系では、円盤不安定性とUV光蒸発の組み合わせにより、内側にガス惑星、外側に氷惑星が形成される可能性があり、太陽系の構造と整合的である。