[論文レビュー] Planet formation around binary stars: Tatooine made easy

Benjamin C. Bromley, Scott J. Kenyon|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2015

Astro and Planetary Science被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、破壊的衝突を避ける安定で低離心率の「最も円形な」軌道に落ち着くことで、連星系の周囲に局所的に惑星が形成可能であると提唱している。これらの軌道は解析的摂動理論から導かれたもので、ガスや微惑星が長期間にわたって力学的冷却を受けても長期間にわたって安定する。これにより、微惑星の成長が連星系内でも可能となり、『タトゥイーン』型惑星が過酷な連星環境でどのように形成されるかという長年の難問を解決する。

ABSTRACT

We examine characteristics of circumbinary orbits in the context of current planet formation scenarios. Analytical perturbation theory predicts the existence of nested circumbinary orbits that are generalizations of circular paths around a single star. These orbits have forced eccentric motion aligned with the binary as well as higher frequency oscillations, yet they do not cross, even in the presence of massive disks and perturbations from large planets. For this reason, dissipative gas and planetesimals can settle onto these "most circular" orbits, facilitating the growth of protoplanets. Outside a region close to the binary where orbits are generally unstable, circumbinary planets form in much the same way as their cousins around a single star. Here, we review the theory and confirm its predictions with a suite of representative simulations. We then consider the circumbinary planets discovered with NASA's Kepler satellite. These Neptune- and Jupiter-size planets, or their planetesimal precursors, may have migrated inward to reach their observed orbits, since their current positions are outside of unstable zones caused by overlapping resonances. In situ formation without migration seems less likely, only because the surface density of the protoplanetary disks must be implausibly high. Otherwise, the circumbinary environment is friendly to planet formation, and we expect that many Earth-like "Tatooines" will join the growing census of circumbinary planets.

研究の動機と目的

• 連星系の動的におそれられる環境において惑星がどのように形成されるかという長年の課題を解決すること。
• 連星の周囲に安定で低離心率の軌道が存在し、微惑星の穏やかな衝突と成長を可能にするかを調査すること。
• 大規模な移動を要しないで局所的形成が可能かどうかを検証し、一般的な仮定とは対照的に検証すること。
• 理論的予測を観測されたケプラー連星系の惑星と比較し、局所的形成モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• Lee & Peale (2006) および Leung & Lee (2013) の解析的摂動理論を応用し、最小限の半径方向の変動と交差のない、入れ子になった安定な連星系周囲軌道の族を導出すること。
• 自由離心率がなく、位相固定衝突を回避する『最も円形な』軌道上でのガスおよび微惑星の力学的挙動をモデル化すること。
• 数値シミュレーションを用いて、質量の大きなディスクや惑星からの摂動に対してもこれらの軌道が交差せず安定していることを確認すること。
• 特にケプラー-16bや類縁惑星に対して、ディスク駆動移動や重力散乱が観測軌道に到達する役割を果たすかを評価すること。
• 局所的形成を支えるために必要な原始惑星系円盤の初期表面密度を評価し、最小質量太陽系円盤（MMSN）と比較すること。
• 連星系の惑星と単一星の周囲の惑星の理論的軌道的特徴（離心率、傾き）を比較し、モデルの一貫性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連星の周囲に、微惑星同士の破壊的衝突を防ぐ安定で低離心率の軌道が存在するか？
• RQ2 摂動理論から導かれた『最も円形な』軌道は、連星系の円盤内での効率的な局所的微惑星成長を可能にするか？
• RQ3 現実的なディスク表面密度を想定した場合、大規模な移動を要さずに連星系周囲での局所的形成が可能か？
• RQ4 観測されたケプラー連星系惑星の軌道的特徴は、最も円形な軌道モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ5 ガスの減衰は、連星系内での微惑星が安定で交差しない軌道に落ち着くのをどのように支援するか？

主な発見

• 単一星の周囲の円軌道の一般化として、最小限の半径方向の変動と交差のない、入れ子になった安定な連星系周囲軌道が存在する。
• これらの軌道には自由離心率がなく、従来のモデルで生じる破壊的攪乱を引き起こす位相固定衝突を防げる。
• ガスおよび微惑星は力学的冷却を経て、これらの最も円形な軌道に落ち着き、穏やかで成長促進的な衝突が可能になる。
• 微惑星がこれらの安定な軌道上に初期化されれば、高初期表面密度を要しない限り、連星系内での局所的形成が可能である。
• 局所的形成を支えるために必要な初期ディスク表面密度は現実的ではないほど高かった（MMSNの10–20倍）、したがって観測されたケプラー惑星の形成には移動や散乱がより妥当である。
• ガスディスク内での移動は不安定な共鳴を回避し、雪の線の外側で惑星が形成され、現在の軌道に到達することが可能であり、観測と整合的である。