[論文レビュー] Selfgravitating disks in binary systems: an SPH approach -- I. Implementation of the code and reliability tests

Luis Diego Pinto, R. Capuzzo‐Dolcetta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、木構造に基づく重力ソルバーを備えた新しい滑らか化粒子動力学（SPH）コード、GaSPH を提示する。このコードは、連星系における自己重力を持つ原始惑星系円盤のシミュレーションを目的として設計されている。コードは、厳密な安定性および性能テストに合格しており、Sedov-Taylorの爆風検証を含む。また、二重星の摂動下での円盤の離心率および近日点角の進化において収束性を示し、非孤立環境下での円盤ダイナミクスの信頼性の高いモデル化を達成している。

ABSTRACT

The study of the stability of massive gaseous disks around a star in a non-isolated context is not a trivial issue and becomes a more complicated task for disks hosted by binary systems. The role of self-gravity is thought to be significant, whenever the ratio of the disk to the star mass is non-negligible. To tackle these issues we implemented, tested and applied our own Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) algorithm. The code (named GaSPH) passed various quality tests and shows good performances, so to be reliably applied to the study of disks around stars accounting for self-gravity. This work aims to introduce and describe the algorithm, making some performance and stability tests. It constitutes the first part of a series of studies in which self-gravitating disks in binary systems will be let evolve in larger environments such as Open Clusters.

研究の動機と目的

• 非孤立環境、特に連星系において、原始惑星系円盤をシミュレートできる堅牢な自己重力付きSPHコードの開発を目的とする。
• 近接粒子相互作用と長距離力の両方を正確に扱える木構造に基づく重力ソルバーの実装とテストを目的とする。
• 標準的な流体力学的および重力的ベンチマークを用いて、コードの数値的性能、安定性、正確性を検証することを目的とする。
• 自己重力を含む円盤-星-連星相互作用をモデル化することで、今後のオープンクラスタ内での円盤進化の研究を可能にすることを目的とする。
• 高密度星環境下での星から円盤へのフィードバックの調査の基盤を提供することを目的とする。

提案手法

• 流体の補間にはラグランジュ型SPH形式と立方スプラインカーネル関数を用い、滑らかさ長さにおいて2次精度を保証する。
• 重力は木構造に基づく多重極展開スキームにより計算され、遠く離れた粒子クラスタは単極および四重極項で近似される。
• 近接粒子間の重力相互作用は直接計算され、ソフトニングの問題を回避し、高密度領域での精度を維持する。
• 点質量（恒星や惑星）の運動は、高次精度の明示的時間積分法により統合される。
• ガスの自己重力とガス-星間の相互重力を自己一貫的に取り扱い、放射輸送は含まない。
• 円盤の性質として、離心率と近日点角は、離心率ベクトルおよび単位質量あたりの角運動量を用いて計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 木構造に基づく重力ソルバーを備えたSPHコードは、連星系内での自己重力円盤の進化をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ2 粒子数解像度を変化させた場合、円盤の離心率および近日点角の数値的収束性はどの程度達成されるか？
• RQ3 Sedov-Taylorの爆風のような既知の流体力学的ベンチマークを、高い忠実度で再現できるか？
• RQ4 離心率 e = 0.4 の二重星の同伴による摂動下で、円盤の軌道パラメータはどのように進化するか？
• RQ5 2Dモデルと比較して、垂直方向の重力および3次元構造は円盤ダイナミクスにどのような役割を果たすか？

主な発見

• GaSPHコードは、Sedov-Taylorの爆風を高い精度で再現し、強力な衝撃波ダイナミクスを扱える能力を確認した。
• 初期の混沌とした段階を経て、円盤の離心率は平均して約 0.075 に安定化し、先行研究と整合的である。
• 円盤の離心率は、二重星の公軌道周期（Pbin ≈ 134 年）に同期した小さな振動を示し、同伴の近日点通過と関連している。
• 近日点角 ωdisk は、粒子数（N = 20,000 から 100,000）を増加させたシミュレーション間で収束しており、数値的安定性が裏付けられている。
• コードは、ゆっくりとしたおよび激しい動的状態の両方において、良好な数値的性能、安定性、正確性を示した。
• 重力の3次元処理により、垂直方向の角運動量輸送が可能となり、2次元モデルにはない新たな自由度が導入された。