[論文レビュー] PPV Chapter - The Formation of Brown Dwarfs

A. P. Whitworth, Matthew R. Bate+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2006

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、降着不安定性による重力的不安定性に起因する低質量星に類似した形成過程を通じて、0.001–0.004 M☉ の範囲で最小質量が制限される現象として、褐色矮星の形成機構を5つレビューしている。その5つは、乱流分割、コア崩壊と分割、円盤分割、動的放出、光分解食食である。これらのメカニズムは互いに排他的ではなく、環境に依存して相対的な重要性が変化する。完全な理解には、角運動量、放射輸送、磁場を解明するための高度な3次元放射MHDシミュレーションが必要である。

ABSTRACT

We review five mechanisms for forming brown dwarfs: (i) turbulent fragmentation of molecular clouds, producing very low-mass prestellar cores by shock compression; (ii) collapse and fragmentation of more massive prestellar cores; (iii) disc fragmentation; (iv) premature ejection of protostellar embryos from their natal cores; and (v) photo-erosion of pre-existing cores overrun by HII regions. These mechanisms are not mutually exclusive. Their relative importance probably depends on environment, and should be judged by their ability to reproduce the brown-dwarf IMF, the distribution and kinematics of newly formed brown dwarfs, the binary statistics of brown dwarfs, the ability of brown dwarfs to retain discs, and hence their ability to sustain accretion and outflows. This will require more sophisticated numerical modelling than is presently possible, in particular more realistic initial conditions and more realistic treatments of radiation transport, angular momentum transport and magnetic fields. We discuss the minimum mass for brown dwarfs, and how brown dwarfs should be distinguished from planets.

研究の動機と目的

• 褐色矮星が、連続的な初期質量関数（IMF）と運動学的性質を示す低質量水素燃焼星と同一のメカニズムで形成されるかどうかを特定すること。
• 乱流分割や円盤不安定性を含む、さまざまな天体物理学的状況における褐色矮星形成の最小質量を評価すること。
• 競合的吸着、動的放出、光分解食食といった物理的プロセスが、観測された褐色矮星集団の性質に与える影響を評価すること。
• 形成スケールと初期元素組成に基づいて、褐色矮星と惑星を区別し、星形成と惑星形成の根本的な分岐を主張すること。
• 現在のシミュレーションの限界を特定し、フラグメンテーション、角運動量輸送、放射効果を解明するためのより現実的で3次元的かつ放射的・磁気流体力学的モデルの必要性を示すこと。

提案手法

• 3次元階層的フラクタル分割、2次元衝撃圧縮層分割、トゥールム不安定円盤分割の3つの状況における、吸収率制限付きフラクタル分割の最小質量の解析的導出。
• 大規模な原始クラスターコアにおける星団形成の数値的シミュレーションを通じて、コア崩壊と分割、円盤分割、競合的吸着、動的放出といった同時進行プロセスをモデル化すること。
• N体力学を用いて原始星胚の相互作用をモデル化し、吸着を停止させ、質量上限を決定する放出イベントを含めること。
• 円盤分割と近接した褐色矮星連星の形成に与える影響を評価するため、シミュレーションに放射輸送効果を組み込むこと。
• 観測データと比較して、質量関数、二重星統計、円盤保持、運動学的性質といった、シミュレートされた褐色矮星の性質を評価すること。
• 乱流の高さ・低さに応じたコア環境における円盤サイズと生存率を、シミュレーション出力から推定することで、円盤サイズが誕生環境に依存するかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 褐色矮星は、低質量水素燃焼星と同一の動的・重力的不安定性プロセスによって形成されるのか、それとも起源が根本的に異なるのか？
• RQ2 原始星核が褐色矮星に分割するための最小質量は何か？ そして、その値は形成シナリオ（例：乱流分割対円盤分割）に依存するのか？
• RQ3 競合的吸着、動的放出、光分解食食といった競合プロセスが、観測された質量関数、二重星統計、運動学的性質にどのように影響を与えるのか？
• RQ4 円盤分割と円盤生存率が、近接した褐色矮星連星の形成および周囲円盤の保持に与える影響はどの程度か？
• RQ5 物理的条件（例：乱流、放射、磁場）が、原始星胚が褐色矮星となるか、低質量星となるかを決定づけるのか？

主な発見

• 太陽系近傍において、吸収率制限付きフラクタル分割による褐色矮星形成の最小質量は、形成シナリオに応じて0.001–0.004 M☉ の範囲で推定される。
• 高乱流コアから形成された褐色矮星は小さな円盤（R < 10 AU）を持つと予測されるが、低乱流コアから形成されたものはより大きな円盤（R ≥ 10 AU）を保持する可能性がある。これは、円盤サイズが誕生環境に依存することを示唆する。
• シミュレーションでは、唯一の動的放出褐色矮星が解像可能な円盤（R ≥ 10 AU）を保持していた。これは、放出イベントが円盤成長を遮断する可能性があることを示している。
• シミュレートされた褐色矮星-褐色矮星連星の分離距離は20 AU未満であるが、解像度の制限により完全な検証が不可能であり、放射輸送などの欠落した物理的プロセスが結果に影響を与えている可能性がある。
• 大半の半径（≥ 100 AU）での円盤分割は、約2000 KでのH₂解離と吸収率ギャップといった熱力学的条件に有利に働く。これにより、近接連星の形成が促進される。
• 高度なクラスターシミュレーションにおいて、5つの形成メカニズム（乱流分割、コア崩壊、円盤分割、放出、光分解食食）が同時に作用しており、その相対的寄与度は環境や時代に応じて変化する可能性がある。