[論文レビュー] On the origin of the wide-orbit circumbinary giant planet HD 106906: A dynamical scenario and its impact on the disk

L. Rodet, H. Beust+5 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Mar 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 69被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、広い公軌道を持つ巨大惑星 HD 106906 b が原始惑星環で形成され、環による内向き移動を経て、連星系との平均運動共鳴によって外向きに散乱され、最終的にまれな接近fly-byによって安定化した動的シナリオを提案する。このメカニズムにおいて、惑星の現在の広い公軌道は極めて不確実（低星密度のため確率 <10⁻⁷）であるが、惑星の離脱軌道と非円形軌道が引き起こすらせん構造によって、観測された環の非対称性を説明できる。

ABSTRACT

A giant planet has been recently resolved at a projected distance of 730 au from the tight pair of young ($\sim$ 13 Myr) intermediate-mass stars HD 106906AB in the Lower Centaurus Crux (LCC) group. The stars are surrounded by a debris disk which displays a ring-like morphology and strong asymmetries at multiple scales. We aim at studying the likelihood of a scenario where the planet formed closer to the stars in the disk, underwent inward disk-induced migration, and got scattered away by the binary star before being stabilized by a close encounter (fly-by). We performed semi-analytical calculations and numerical simulations (Swift_HJS package) to model the interactions between the planet and the two stars. We accounted for the migration as a simple force. We studied the LCC kinematics to set constraints on the local density of stars, and therefore on the fly-by likelihood. We performed N-body simulations to determine the effects of the planet trajectories (ejection and secular effects) onto the disk morphology. The combination of the migration and mean-motion resonances with the binary star (often 1:6) can eject the planet. Nonetheless, we estimate that the fly-by hypothesis decreases the scenario probability to less than $10^{-7}$ for a derived local density of stars of 0.11 stars/pc$^{3}$. We show that the concomitant effect of the planet and stars trajectories induce spiral-features in the disk which may correspond to the observed asymmetries. Moreover, the present disk shape suggests that the planet is on an eccentric orbit. The scenario we explored is a natural hypothesis if the planet formed within a disk. Conversely, its low probability of occurrence and the fact that HD 106906 b shares some characteristics with other systems in Sco-Cen (e.g. HIP 78530, in terms of mass ratio and separation) may indicate an alternative formation pathway for those objects.

研究の動機と目的

• HD 106906 b が周星系円盤で形成され、動的相互作用を通じて現在の広い公軌道に散乱された可能性を調査すること。
• 低密度環境における Lower Centaurus Crux (LCC) 群の星間密度の下で、fly-by による軌道安定化の確率を評価すること。
• 惑星の過去の軌道が、らせん構造や空洞構造を含む観測された非対称なデブリ環の形態を再現できるかを特定すること。
• 軌道の離心率と軌道傾きが、長期間的摂動および類似摂動によって環の非対称性をどのように形成するかを評価すること。
• イン・スイット形成や雲崩壊による形成経路といった代替形成経路と比較して、惑星環移動と散乱シナリオの妥当性を検討すること。

提案手法

• Swift_HJSパッケージを用いたN体シミュレーションと半解析的計算により、惑星-星間相互作用と軌道進化をモデル化する。
• 初期系の進化段階における内向き移動を模倣するため、簡略化された力として環による移動を組み込む。
• LCCの運動学的データを用いて、局所星密度（0.11 隕星/pc³）を推定し、近接fly-byの確率を制約する。
• N体シミュレーションにより、惑星の軌道（放出と長期間的効果）が環の形態と非対称性に与える影響を評価する。
• 離心率、傾き、または歳差運動を示す惑星の軌道と環の相互作用によって生じるらせん密度波の形成をモデル化する。
• シミュレートされた環の特徴を、SPHERE、GPI、HST、MagAOによる観測データとの比較により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広い公軌道を持つ巨大惑星 HD 106906 b は、原始惑星環で形成され、連星系との平均運動共鳴によって外向きに散乱された可能性があるか？
• RQ2 低密度のLCC環境において、fly-byによる軌道安定化の確率はどの程度で、このシナリオの妥当性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 惑星の過去の離心率と傾きが、デブリ環にらせん構造と非対称性を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ4 離心率の高い外側の惑星による長期間的摂動が、環の明るさ分布と構造に与える影響は？
• RQ5 観測された環の形態は、惑星が散乱によって放出された、または動的散乱によって広い公軌道に置かれたものと整合するか？

主な発見

• 環による移動と連星系との平均運動共鳴の組み合わせは惑星を放出可能であるが、fly-byによる安定化は極めて不確実であり、推定された局所星密度 0.11 隕星/pc³ の下で確率が 10⁻⁷ 未満である。
• 惑星の過去の離心軌道（近日点 ~200 au）は、環にらせん密度波を生成可能であり、観測された非対称で輪状の形態に加え、西側に延長する特徴を説明できる可能性がある。
• 120 auを超える領域で西側が明るく、120 au未満の領域で東側が明るいという、観測された逆転非対称性は、惑星の放出または軌道進化中の動的影響によって再現可能である。
• 内側と外側の帯域がそれぞれ約13.7 au および約46 au に位置する環の空洞構造は、惑星の過去の重力的摂動と長期間的効果と整合的である。
• 惑星が環内で形成され外向きに散乱された場合にのみこのシナリオは妥当であるが、fly-byによる安定化の確率が極めて低いことから、HD 106906 や同様の広い公軌道の補助惑星を有する Sco-Cen のような系では、イン・スイット形成や雲崩壊による形成経路といった代替経路の導入が不可欠である可能性がある。
• N体シミュレーションと簡略化された移動力による惑星-環相互作用のモデル化手法は、他の連星系にも一般化可能であり、初期の軌道安定性と環の形態的影響を評価するのに有効である。