[論文レビュー] Self-gravitating accretion discs

Giuseppe Lodato|ArXiv.org|Jan 25, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、自己重力的降着円盤の力学的挙動と進化をレビューし、円盤の自己重力が角運動量輸送を引き起こし、凝集塊への分裂を引き起こす重力不安定性を強調している。主な発見では、原始星円盤は冷却時間が長いため通常は分裂に対して安定している一方、AGN円盤は冷却時間が短く、低温であるため、超大質量ブラックホール周辺での星形成を可能にする。

ABSTRACT

I review recent progresses in the dynamics and the evolution of self-gravitating accretion discs. Accretion discs are a fundamental component of several astrophysical systems on very diverse scales, and can be found around supermassive black holes in Active Galactic Nuclei (AGN), and also in our Galaxy around stellar mass compact objects and around young stars. Notwithstanding the specific differences arising from such diversity in physical extent, all these systems share a common feature where a central object is fed from the accretion disc, due to the effect of turbulence and disc instabilities, which are able to remove the angular momentum from the gas and allow its accretion. In recent years, it has become increasingly apparent that the gravitational field produced by the disc itself (the disc's self-gravity) is an important ingredient in the models, especially in the context of protostellar discs and of AGN discs. Indeed, it appears that in many cases (and especially in the colder outer parts of the disc) the development of gravitational instabilities can be one of the main agents in the redistribution of angular momentum. In some cases, the instability can be strong enough to lead to the formation of gravitationally bound clumps within the disc, and thus to determine the disc fragmentation. As a result, progress in our understanding of the dynamics of self-gravitating discs is essential to understand the processes that lead to the feeding of both young stars and of supermassive black holes in AGN. At the same time, understanding the fragmentation conditions is important to determine under which conditions AGN discs would fragment and form stars and whether protostellar discs might form giant gaseous planets through disc fragmentation.

研究の動機と目的

• さまざまな天体物理学的系における降着円盤の自己重力が角運動量輸送をどのように駆動するかを理解すること。
• 自己重力的円盤が重力的に束縛された凝集体に分裂する条件を調査すること。
• 原始星円盤（高温、冷却時間が長い）とAGN円盤（低温、冷却時間が短い）の分裂挙動の対照的特性を明確にすること。
• 原始星円盤における惑星形成およびAGN環境における星形成に、分裂が及える影響を評価すること。
• 現実的な放射輸送とフィードバック機構を組み込んだ、より良い数値モデルの必要性を強調すること。

提案手法

• 自己重力的円盤の高解像度流体力学的シミュレーションと解析的モデルを組み合わせる。
• 特に冷却時間スケール τ_coolΩ に注目し、異なる不安定性領域を探索するために、簡略化された冷却則をシミュレーションに適用する。
• 円盤の安定性を評価するために Toomre Q パラメータを用い、Q < 1 が重力不安定性を示すことを確認する。
• 熱エネルギーと粘性散逸の役割が円盤の安定化または不安定化に与える影響を分析する。
• 気体円盤と衝突なしの星形成円盤の力学的挙動を比較し、エネルギー散逸および波動伝播の違いに注目する。
• 中心天体からの放射照射および形成中の星からのフィードバックが、分裂と降着に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着円盤において、円盤の自己重力が重力不安定性と角運動量輸送を引き起こす条件は何か？
• RQ2 冷却時間スケールが原始星円盤およびAGN円盤における円盤分裂の可能性にどのように影響するか？
• RQ3 高い自己重力があるにもかかわらず、なぜ原始星円盤は通常分裂に対して安定しているのか、一方AGN円盤は分裂しやすいのか？
• RQ4 円盤の分裂が中心ブラックホールや原始星への降着をどの程度抑制するのか？
• RQ5 放射輸送が自己重力的円盤の熱力学的性質と安定性を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 円盤の自己重力は、特にAGNおよび原始星系において、外側の冷たい領域における角運動量輸送の主要因である。
• AGN円盤は低温（H/R ≪ 1）かつ冷却時間が短いため（τ_coolΩ ≪ 1）、分裂に対して極めて感受性が高く、凝集体形成を可能にする。
• 原始星円盤は冷却時間が長く（τ_coolΩ ≫ 1）、温度も高いことから、外縁部を除いて通常は分裂に対して安定している。
• AGN円盤の分裂は、銀河中心における若い質量星の存在を説明する要因となり得る。
• 中心への降着を抑制するリスクは顕著であり、円盤質量の大部分が中心対象ではなく凝集体に流れ込む可能性がある。
• 現在のシミュレーションではしばしば簡略化された冷却関数が用いられているが、現実的な放射輸送と形成中の星からのフィードバックの組み込みは、正確なモデル化のための重要な課題のままである。