[論文レビュー] Inside-out planet formation: VI. oligarchic coagulation of planetesimals from a pebble ring?

Maxwell Xu Cai, Jonathan C. Tan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astro and Planetary Science参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、Inside-Out Planet Formation (IOPF) モデルにおけるデッドゾーン内境界 (DZIB) でのペブルリングから惑星形成を直接 N-体シミュレーションを用いて調査する。オリガルチック成長は一貫して2〜3つの巨大惑星を生成するが、主に70%の質量を占める支配的で大きな惑星と、30〜65%の質量を占める顕著な第二惑星を形成する。これは観測されたSTIPの内側惑星対と矛盾し、追加の物理的プロセスが第二惑星の成長を抑制するように設計されていない限り、IOPFの妥当性に疑問を呈する。

ABSTRACT

Inside-Out Planet Formation (IOPF) is a theory addressing the origin of Systems of Tightly-Packed Inner Planets (STIPs) via in situ formation and growth of the planets. It predicts that a pebble ring is established at the pressure maximum associated with the dead zone inner boundary (DZIB) with an inner disc magnetorotational instability (MRI)-active region. Using direct N-body simulations, we study the collisional evolution of planetesimals formed from such a pebble ring, in particular, examining whether a single dominant planet emerges. We consider a variety of models, including some in which the planetesimals are continuing to grow via pebble accretion. We find that the planetesimal ring undergoes oligarchic evolution, and typically turns into 2 or 3 surviving oligarchs on nearly coplanar and circular orbits, independent of the explored initial conditions or form of pebble accretion. The most massive oligarchs typically consist of about $70{{\ m per\ cent}}$ of the total mass, with the building-up process typically finishing within ~10<SUP>5</SUP> yr. However, a relatively massive secondary planet always remains with $\sim 30\!-\!65{{\ m per\ cent}}$ of the mass of the primary. Such secondary planets have properties that are inconsistent with the observed properties of the innermost pairs of planets in STIPs. Thus, for IOPF to be a viable theory for STIP formation, it needs to be shown how oligarchic growth of a relatively massive secondary from the initial pebble ring can be avoided. We discuss some potential additional physical processes that should be included in the modelling and explored as next steps.

研究の動機と目的

• Inside-Out Planet Formation (IOPF) モデルにおいて、デッドゾーン内境界 (DZIB) におけるペブルリングから惑星形成が、惑星形成体の凝集によって単一の支配的惑星に進化するかを検証すること。
• ペブルから形成された惑星形成体からのオリガルチック成長が、単一の巨大惑星を生じるのか、それとも複数の生存惑星を生じるのかを評価すること。
• シミュレーション結果が、特に内側の惑星対を含む、密に集積した内側惑星 (STIP) の観測的性質と一致するかを評価すること。
• IOPFフレームワークにおいて、巨大な第二惑星の形成を抑制する物理的プロセスが現在のモデルに欠落している可能性を特定すること。

提案手法

• 合計質量 1 M⊕ の惑星形成体リングを用いた直接 N-体シミュレーションを実施。初期質量分布は等質量と指数分布 (k = −2) を想定。
• 初期条件として、Rayleigh分布に従う離心率と傾き (⟨e²⟩¹ᐟ² = ⟨i²⟩¹ᐟ² = 0.02) と、リング幅 W ≈ 0.03 AU を設定。
• 約1 Myrにわたる衝突的進化をシミュレート。ペブル降着が継続するケースとしないケースを含む。
• 標準の惑星形成体密度 2 g cm⁻³ を用い、4 g cm⁻³ でのテストで結果のロバスト性を確認。
• 混沌沌とした力学的性質を反映させるために、各モデルで20回の実行（異なる乱数シード）を実施。
• 観測されたSTIPの性質と比較するため、軌道周期比 (P2/P1)、正規化された軌道間隔 (φ∆r)、質量–半長径スケーリング指数 (kM) を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DZIBにおけるペブルリングから形成された惑星形成体リングが、オリガルチック成長によって単一の支配的惑星に進化できるか？
• RQ2 衝突的進化後1 Myrにおける生存惑星の典型的な数と質量分布は何か？
• RQ3 初期条件（質量分布、リング幅）およびペブル降着の有無が、最終的な惑星系構造にどのように影響するか？
• RQ4 シミュレーションされた内側惑星対の軌道的および質量的性質は、観測されたSTIPと一致するか？
• RQ5 IOPFフレームワークにおいて、巨大な第二惑星の形成を抑制する物理的プロセスは何か？

主な発見

• すべてのシミュレーションで、初期条件やペブル降着の有無に関わらず、約10⁵年後に2〜3つの生存オリガルチクスが得られる。
• 最も質量の大きなオリガルチクスは通常、初期総質量の約70%を占め、2番目に大きなものは主星質量の30〜65%を保持する。
• 生存する惑星対の軌道周期比 (P2/P1) は1.1〜1.4の範囲に集中しており、9/7 や 3/2 などの低次の共鳴に捕獲された割合はわずかである。
• シミュレーションされた系は、観測されたSTIPと比較して、質量–半長径スケーリング指数 (kM) の範囲が狭く、軌道間隔 (φ∆r) の分布がより凝集している。
• 観測されたSTIP内側惑星対の性質、特に広いP2/P1およびφ∆rの分布は、シミュレーション結果と一致せず、観測と不一致である。
• 巨大会第二惑星の持続的形成は、IOPFの核心的仮定（ペブルリングごとに1つの支配的惑星しか形成されない）に疑問を呈する。これにより、惑星-円盤相互作用や段階的惑星形成体生成といった追加の物理的プロセスのモデル化が不可欠となる。