[論文レビュー] Low-Mass Star Formation: Initial Conditions, Disk Instabilities, and the Brown Dwarf Desert

Christopher D. Matzner, Y. Levin|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、低質量星形成における原始星前核の初期条件とプロト星円盤の重力不安定性を結びつける理論的枠組みを構築し、星からの放射によって円盤内の自己重力不安定性が抑制されることを示している。これにより、初期に断片化が起こり、その後断片同士が合体する。その結果、低質量星周囲で見られる亜星の伴星の希少性（いわゆる「褐色矮星の砂漠」）が説明できる。

ABSTRACT

We develop a simple theory to predict the initial conditions for low-mass star formation and relate these to instabilities of protostellar accretion disks that may produce stellar or substellar companions. We first account for the effects of a turbulent velocity field on the cores that form stars. Revised scales for mass, radius, turbulent velocity, and angular momentum are derived from the gas temperature of the prestellar core and the column density of the parent cloud. The full distribution angular momentum around its characteristic scale is derived from an idealized but reasonable set of assumptions. Second, we examine the criterion for fragmentation to occur during star formation, concentrating on the self-gravitational instabilities of protostellar accretion disks in their main accretion phase. Disk instability can develop from rotating initial conditions even if they are axisymmetric; therefore it provides a conservative bound for the criterion of fragmentation. Self-gravitational instabilities are strongly dependent on the thermal state of the disk, and we find that stellar irradiation quenches fragmentation due to Toomre's local instability. An early phase of fragmentation is nevertheless likely, but fragments born in this phase are in close proximity and are likely to merge later due to disk accretion. Global instability of the disk may be required to process mass supply, but this is unlikely to produce fragments. These conclusions help to explain the dearth of substellar companions to stellar type stars -- the brown dwarf desert.

研究の動機と目的

• 原始星前核の性質から低質量星形成の初期条件を理解すること。
• 主的降着段階における円盤不安定性が、恒星または亜星の伴星形成に与える影響を検討すること。
• 太陽型の星の周囲で亜星の伴星が希少である理由を特定し、『褐色矮星の砂漠』を説明すること。
• 乱流、角運動量、および熱的状態が、プロト星円盤内での断片化の発火に果たす役割を評価すること。

提案手法

• ガス温度と雲の面密度を用いて、原始星前核における質量、半径、乱流速度、角運動量の再評価を行う。
• 理想化されたが物理的に妥当な仮定のもとで、特徴的なスケールでの角運動量分布をモデル化する。
• トゥムレの基準を用いて、プロト星円盤内の局所的重力不安定性を評価し、断片化の可能性を検討する。
• 星からの放射が熱的安定化によって円盤の断片化を抑制する影響を評価する。
• 円盤のグローバル不安定性が質量供給と断片生成のどちらに寄与するかを分析する。
• 軸対称的な初期条件を想定し、円盤不安定性の発生に対する保守的な下限を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始星前核内の乱流速度場は、低質量星形成の初期条件にどのように影響するか？
• RQ2 主的降着段階におけるプロト星円盤内で、自己重力不安定性が発生する条件は何か？
• RQ3 星からの放射が熱的安定化によって断片化をどの程度抑制するか？
• RQ4 なぜ低質量星の周囲で近接した亜星の伴星が希少であり、円盤不安定性とどのように関係するか？
• RQ5 グローバルな円盤不安定性は長寿命な断片を生成できるか、それとも主に質量供給を促進するのか？

主な発見

• 原始星前核内の乱流速度場は、ガス温度と雲の面密度に基づき、質量、半径、角運動量の再評価を可能にする。
• 円盤不安定性は、軸対称的かつ回転する初期条件から発生しうり、断片化の保守的な下限を提供する。
• 星からの放射は、トゥムレ型の局所的不安定性に対して円盤を安定化させることで、断片化を強く抑制する。
• 初期の断片化は起こりやすいが、円盤降着のため断片同士が近接しており、合体しやすい。
• グローバルな円盤不安定性は質量供給を制御する可能性があるが、長寿命な断片を生成するとは考えにくい。
• これらのメカニズムが総合的に作用し、観測された亜星伴星の希少性（一般的に「褐色矮星の砂漠」と呼ばれる）を説明できる。