[論文レビュー] On Rapid Disk Accretion and Initial Conditions in Protostellar Evolution

Lee Hartmann, Zhaohuan Zhu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、低質量の原始星における冷たい急速な円盤降着の仮定に挑戦し、高い降着率が熱く、幾何学的に厚い円盤を生じさせ、原始星を加熱することで、冷たい降着モデルが観測結果と整合しないことを主張する。結論として、初期の原始星の半径は乱流崩壊の条件によって決まるが、これにより若い星の年齢に約1 Myrの不確実性が生じる。10 Myrの不確実性ではない。

ABSTRACT

Low-mass protostars may accrete most of their material through short-lived episodes of rapid disk accretion; yet until recently evolutionary tracks for these protostars assumed only constant or slowly-varying accretion. Important initial steps toward examining the potential effects of rapid accretion were recently made by Baraffe, Chabrier, & Gallardo, who showed that in the limit of low-temperature ("cold") accretion, protostars may have much smaller radii than found in previous treatments. Such small radii at the end of protostellar accretion would have the effect of making some young stars appear much older - perhaps as much as 10 Myr - than they really are. However, we argue that very rapid disk accretion is unlikely to be cold, because observations of the best-studied pre-main sequence disks with rapid disk accretion outbursts - the FU Ori objects - have spectral energy distributions which imply large, not small, protostellar radii. In addition, theory indicates models that at high accretion rates, protostellar disks become internally hot and geometrically thick, making it much more likely that hot material is added to the star. In addition, the very large luminosity of the accretion disk is likely to irradiate the central star strongly, heating up the outer layers and potentially expanding them. Nevertheless, the Baraffe et al. calculations emphasize the importance of initial protostellar radii for subsequent evolution.

研究の動機と目的

• 低質量原始星における急速な円盤降着のシナリオにおいて、冷たい降着モデルの妥当性を評価すること。
• 急速で冷たい降着が、Baraffeら（2009）が予測する小さな原始星半径を生じうるかどうかを調査すること。
• 観測された準主系列星のHR図上の位置と理論的進化曲線を一致させること。
• 初期原始星核半径が顕在的星の年齢を決定する役割を評価すること。
• 急速な断続的降着が、若い星における大きな年齢不確実性（例：10 Myr）を生じうるかどうかを特定すること。

提案手法

• FU Orionis天体の観測的SEDを分析し、冷たい降着モデルとは整合しない大きな原始星半径を示している。
• 理論的円盤モデルを適用し、高い降着率が粘性加熱と幾何学的に厚い円盤を生じることを示す。
• 円盤安定性基準を用いて、円盤が熱的に厚くなる半径を推定する（10⁻⁴ M☉ yr⁻¹の降着率ではR_T ~ 0.23 AU）。
• 垂直平均化円盤方程式と吸収率スケーリングを用いて、円盤中心部の温度と圧力プロファイルを比較する。
• 放射加熱と内部加熱が原始星半径および収縮 timescale に与える影響を評価する。
• 原始星進化における熱エネルギーの加算が無視できるという仮定を再検討し、冷たい降着と熱い降着を対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速な円盤降着が、顕著な熱エネルギーの供給なしに、冷たく低温度の状態で起こりうるか？
• RQ2 FU Ori天体の観測SEDは、小さな原始星半径か大きな原始星半径を支持するか？ そしてこれは年齢推定にどのように影響するか？
• RQ3 円盤加熱と幾何学的厚さが顕著に現れる臨界降着率は何か？
• RQ4 乱流流体力学的崩壊によって決定される初期原始星核半径は、その後の星の進化および年齢決定にどのように影響するか？
• RQ5 初期条件のばらつきが、若い星の集団における半径分散をどの程度説明できるか？

主な発見

• FU Ori天体の観測は、大きな原始星半径を示しており、冷たい降着モデルの予測とは矛盾する。
• 高い降着率は、粘性加熱を受けて幾何学的に厚い円盤を生じさせ、冷たい降着は物理的に現実的ではない。
• 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹の降着率では、R_T ~ 0.23 AUで円盤が幾何学的に厚くなり、中心温度は2×10⁴ Kを超える。
• 熱く厚い円盤は原始星の外層を放射加熱し、膨張を引き起こし、半径を増大させる可能性がある。
• 急速な冷たい降着では、若い星の観測された半径分散を説明できない。年齢の不確実性は約1 Myrに制限され、10 Myrではない。
• 乱流崩壊によって決定される初期原始星核半径は、準主系列進化および顕在的年齢に顕著なばらつきをもたらす。