[論文レビュー] Gravoturbulent formation of planetesimals

Anders Johansen, Hubert Klahr+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、原始惑星系円盤内の磁気対流乱流が、全体のダスト層が不安定化するのに十分な密度でない場合でも、メートルサイズの小惑星の塊が重力収縮を引き起こす可能性を提案している。乱流は一時的な径方向のガス密度増加を生じさせ、固体を捕らえて集中させ、径方向の移動速度を40%低減する。これにより、現実的な条件下で局所的な重力不安定化が可能になる。

ABSTRACT

We explore the effect of magnetorotational turbulence on the dynamics and concentrations of boulders in local box simulations of a sub-Keplerian protoplanetary disc. The solids are treated as particles each with an independent space coordinate and velocity. We find that the turbulence has two effects on the solids. 1) Meter and decameter bodies are strongly concentrated, locally up to a factor 100 times the average dust density, whereas decimeter bodies only experience a moderate density increase. The concentrations are located in large scale radial gas density enhancements that arise from a combination of turbulence and shear. 2) For meter-sized boulders, the concentrations cause the average radial drift speed to be reduced by 40%. We find that the densest clumps of solids are gravitationally unstable under physically reasonable values for the gas column density and for the dust-to-gas ratio due to sedimentation. We speculate that planetesimals can form in a dust layer that is not in itself dense enough to undergo gravitational fragmentation, and that fragmentation happens in turbulent density fluctuations in this sublayer.

研究の動機と目的

• 磁気対流乱流が準ケプラーモデルの原始惑星系円盤内の固体粒子の運動および集中に与える影響を調査すること。
• 乱流によって引き起こされる密度増加が、ダストが豊富な層に重力不安定性を引き起こすかどうかを特定すること。
• メートルサイズの小惑星が急速な径方向移動を避け、局所的な重力収縮によって惑星形成物質を形成できるかどうかを評価すること。
• 乱流が惑星形成の促進要因であるか、破壊的要因であるかを評価すること。
• 高密度の固体塊における重力不安定性を引き起こすために必要な最小ガス柱密度を推定すること。

提案手法

• 埋め込まれた固体粒子を独立したトレーサーとして扱った、乱流的で準ケプラーモデルの原始惑星系円盤の局所的ボックスシミュレーションを実施した。
• 磁気対流乱流モデルを用いて乱流の流れをシミュレートし、ガスとダストの運動を別々に解いた。
• メートル、デシメートル、デカメートルサイズの小惑星の空間的分布および速度を追跡し、集中度と移動速度を測定した。
• ガスの過密度領域におけるダスト対ガス比および柱密度を測定し、重力不安定性の可能性を評価した。
• ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性に対する安定性を評価するためにリチャードソン数に基づく基準を適用した。
• 高密度の塊において局所的自己重力が支配的になると仮定した簡略化モデルを用いて、重力不安定性の閾値を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤内の乱流が、メートルサイズの小惑星を十分に局所的に集中させ、重力収縮を引き起こすことができるか？
• RQ2 磁気対流乱流は、メートルサイズの固体の径方向移動速度にどのように影響するか？
• RQ3 高密度の固体塊が重力不安定化するための最小ガス柱密度はどの程度か？
• RQ4 乱流による一時的なガス密度増加は、実際に固体を捕らえ、集中させる効果があるか？
• RQ5 乱流による集中メカニズムは、径方向移動障壁および破壊限界を克服するのに十分に頑健か？

主な発見

• メートルサイズの小惑星は、大規模な径方向ガス密度増加に捕らわれることで、平均ダスト密度よりも最大100倍の局所的集中が生じる。
• メートルサイズの小惑星の平均径方向移動速度は、この集中効果により40%低減される。
• デシメートルサイズの物体は密度の上昇がやや顕著であるが、デカメートルサイズの物体は集中度が弱い。
• 固体の最も高密度な塊は、物理的に妥当なガス柱密度およびダスト対ガス比のもとで重力不安定化する。
• 重力不安定化は、全体としてのダスト層が破壊に十分な密度でない場合でも、乱流が一時的な過密度を生成することで可能になる。
• シミュレーション結果は、乱流が惑星形成の破壊要因ではなく、必要な密度フラクチュエーションを生成するイグニッション要因であることを示唆している。