[論文レビュー] Modeling the Jovian subnebula: I - Thermodynamical conditions and migration of proto-satellites

Y. Alibert, O. Mousis+1 more|ArXiv.org|May 18, 2005

Astro and Planetary Science被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、木星の形成と連携した時間依存的で乱流的な $\alpha$-ディスクモデルを用いて木星の準原始星系円盤の進化を検討し、初期には太陽原始星系円盤からの供給を受けるが、その後は円盤の消失に伴い拡張・消滅する二段階の段階的進化を示した。主な結果として、衛星の軌道移行、氷の生存、ガリレオ衛星の軌道分布および組成を整合させるために、準原始星系円盤の粘性パラメータ ($\alpha \sim 2\times10^{-4}$ から $10^{-3}$) に制限が生じる。

ABSTRACT

We have developed an evolutionary turbulent model of the Jovian subnebula consistent with the extended core accretion formation models of Jupiter described by Alibert et al. (2005b) and derived from Alibert et al. (2004,2005a). This model takes into account the vertical structure of the subnebula, as well as the evolution of the surface density as given by an $α$-disk model and is used to calculate the thermodynamical conditions in the subdisk, for different values of the viscosity parameter. We show that the Jovian subnebula evolves in two different phases during its lifetime. In the first phase, the subnebula is fed through its outer edge by the solar nebula as long as it has not been dissipated. In the second phase, the solar nebula has disappeared and the Jovian subdisk expands and gradually clears with time as Jupiter accretes the remaining material. We also demonstrate that early generations of satellites formed during the beginning of the first phase of the subnebula cannot survive in this environment and fall onto the proto-Jupiter. As a result, these bodies may contribute to the enrichment of Jupiter in heavy elements. Moreover, migration calculations in the Jovian subnebula allow us to follow the evolution of the ices/rocks ratios in the proto-satellites as a function of their migration pathways. By a tempting to reproduce the distance distribution of the Galilean satellites, as well as their ices/rocks ratios, we obtain some constraints on the viscosity parameter of the Jovian subnebula.

研究の動機と目的

• 木星の形成過程における太陽原始星系円盤からの継続的降着を考慮した、自己一貫的で時間的に進化する木星の準原始星系円盤モデルの構築。
• 従来の準原始星系円盤モデルが閉じた系や一定の降着率を仮定していたことによる制限を解消する。
• ガリレオ衛星の観測的性質と整合するための、準原始星系円盤の粘性パラメータ ($\alpha$) を特定すること。
• 熱力学的条件と軌道移行経路が、原始衛星内の氷/岩石比に与える影響を調査すること。
• 初期に形成された衛星が、木星への降着によって重元素の過剰蓄積に寄与できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 木星の準原始星系円盤に対して2次元時間依存乱流 $\alpha$-ディスクモデルを用い、粘性パラメータ $\alpha$ を自由パラメータとして扱う。
• Alibertら (2005b) の木星形成モデルを適用し、粘性散逸と光蒸発を含むことで、流入率と準原始星系円盤の進化を特定する。
• 一貫性を保つために、親の木星形成モデルと同一の状態方程式と光学厚さ則を用いて、熱力学的条件（温度、表面密度、スケール高さ）を計算する。
• Tanaka ら (2002) のタイプI移行速度を要因 $f_I$ でスケーリングし、衛星の軌道進化を模擬し、生存可能性を評価する。
• 異なる移行経路に沿って氷/岩石比の時間的変化を追跡するための移行計算を実施する。
• 薄いディスク近似の妥当性を検証するため、$H/R$（ディスクのアスペクト比）の径方向プロファイルを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間依存的降着が太陽原始星系円盤から供給される条件下で、木星の準原始星系円盤内の熱力学的条件（温度、表面密度、スケール高さ）は時間と半径にどのように依存するか？
• RQ2 準原始星系円盤の粘性パラメータ $\alpha$ が、原始衛星の移行 timescale と生存に与える影響は何か？
• RQ3 ガリレオ衛星の観測された距離分布および氷/岩石比を再現するためには、$\alpha$ にどのような制約が必要か？
• RQ4 初期に形成された原始衛星は準原始星系円盤内で生存可能か、それとも必然的に木星に降着されるのか？
• RQ5 初期に形成された原始衛星の降着が、木星の重元素過剰蓄積にどの程度寄与できるか？

主な発見

• 木星の準原始星系円盤は二段階の進化を示す：初期には太陽原始星系円盤からの供給を受ける「供給段階」、その後は円盤の消失に伴い拡張・消滅する「拡張・消滅段階」。
• ディスクのアスペクト比 $H/R$ は急速に低下し、0.2 Myr 以内に 0.3 未満、第二段階では 0.1 未満にまで低下する。これにより、薄いディスク近似が時間経過とともに妥当であることが裏付けられる。
• 岩石衛星が $\sim 10 R_J$ の距離まで生存可能となるようにするには、最小で $\alpha \sim 2 \times 10^{-4}$ の粘性パラメータが必要である。
• 氷が少なくとも 0.1 Myr間は存在し続けるようにするには、$\alpha \lesssim 10^{-3}$ の上界が必要であり、これはカイストの形成 timescale と整合する。
• 準原始星系円盤の初期段階に形成された原始衛星は、速やかに木星に降着されるため、それらが木星の重元素過剰蓄積に寄与している可能性がある。
• 流入率や木星形成モデルの変動に対しても、移行計算と $\alpha$ の制約が安定しており、パラメータの境界が信頼できることが示された。