[論文レビュー] Signatures of Young Planets in the Continuum Emission From Protostellar Disks

Andrea Isella, N. Turner|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、星間物質からの放射加熱と冷却を考慮した放射流体力学モデルを提示し、重力平衡下でのディスク温度および垂直構造を自己自己一貫的に計算する。その結果、惑星が形成するギャップの壁が放射加熱により膨張し、外側ディスクに深い影を投げることを示した。この影は散乱光観測で偽のギャップとして誤解され、ミリ波/センチ波長の放射特徴を顕著に変化させる。1000 M⊕の惑星では、熱的摂動を無視したモデルと比較して、影のコントラストが1桁高いことが示された。

ABSTRACT

Many protostellar disks show central cavities, rings, or spiral arms likely caused by low-mass stellar or planetary companions, yet few such features are conclusively tied to bodies embedded in the disks. We note that even small features on the disk's surface cast shadows, because the starlight grazes the surface. We therefore focus on accurately computing the disk's thickness, which depends on its temperature. We present models with temperatures set by the balance between starlight heating and radiative cooling, that are also in vertical hydrostatic equilibrium. The planet has 20, 100, or 1000~M$_\\oplus$, ranging from barely enough to perturb the disk significantly, to clearing a deep tidal gap. The hydrostatic balance strikingly alters the model disk's appearance. The planet-carved gap's outer wall puffs up under starlight heating, throwing a shadow across the disk beyond. The shadow appears in scattered light as a dark ring that could be mistaken for a gap opened by another more distant planet. The surface brightness contrast between outer wall and shadow for the 1000-M$_\\oplus$ planet is an order of magnitude greater than a model neglecting the temperature disturbances. The shadow is so deep it largely hides the planet-launched spiral wave's outer arm. Temperature gradients are such that outer low-mass planets undergoing orbital migration will converge within the shadow. Furthermore the temperature perturbations affect the shape, size, and contrast of features at millimeter and centimeter wavelengths. Thus radiative heating and cooling are key to the appearance of protostellar disks with embedded planets.

研究の動機と目的

• 埋め込まれた惑星のモデル化において、ディスク温度と構造を単純化した現在のモデルの不整合を解消すること。
• 放射加熱と冷却が、埋め込まれた惑星を有する原始惑星系ディスクの垂直構造と外観に与える影響を調査すること。
• 加熱されたギャップ壁が投じる影が、散乱光における偽のギャップや非対称なリングといった観測特徴を模倣できるかどうかを検証すること。
• 熱的摂動がミリ波およびセンチ波長帯での特徴の形状とコントラストに与える影響を定量化すること。
• 時間依存的流体静力学平衡と放射移動を組み込むことで、惑星-ディスク相互作用モデルの物理的整合性を高めること。

提案手法

• モデルは、星からの放射照射と放射冷却のバランスをとることでディスク温度を計算し、前時刻ステップの質量密度と温度の照合テーブルを用いて新しい温度プロファイルを推定する。
• 流体静力学平衡は垂直方向の力のバランス式：dp/dz = -ρΩ²z を用いて強制され、各垂直グリッド点で繰り返し計算により密度と圧力を求める。
• 時間依存的流体静力学平衡を用い、表面密度を所定の値に一致させるために、各タイムステップで密度プロファイルを更新する。
• 安定性を確保するため、各タイムステップにおけるスケール高さの変化を制限し、熱的および音速通過時間スケールに基づく時間制限付き補正を用いる。
• 収束が達成されるまで、各垂直層で温度プロファイルを繰り返し更新することで、密度、質量密度、温度の自己一貫性を保証する。
• 放射加熱がギャップ壁に与える影響を組み込み、壁が膨張し外側ディスクに影を投げることで、観測された輝度コントラストが変化することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射加熱と冷却は、埋め込まれた惑星を有する原始惑星系ディスクの垂直構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 惑星誘発影は、散乱光およびミリ波連続放射の観測的形状にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 加熱されたギャップ壁が投じる影が、より遠方の惑星が形成したギャップと誤認される可能性はあるか？
• RQ4 放射加熱による温度勾配は、惑星の軌道移動を経験する低質量惑星の運動にどのように影響を与えるか？
• RQ5 熱的摂動は、センチ波長およびミリ波長帯でのスパイラル波およびリングのコントラストと検出可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 惑星が形成するギャップの外側壁は、放射加熱により膨張し、外側ディスクに深い影を投げ、散乱光では暗い輪として観測される。
• 1000 M⊕の惑星では、熱的摂動を無視したモデルと比較して、加熱されたギャップ壁とその影の表面輝度コントラストが1桁高い。
• 影は非常に深いため、惑星が励起するスパイラル波の外側アームをほとんど遮断し、第二のギャップやリングと誤認される可能性がある。
• 放射加熱による温度勾配は、軌道移動を経験する低質量惑星が影領域に収束する原因となり、その動的進化に影響を与える。
• 熱的摂動は、ミリ波およびセンチ波長帯での特徴の形状、サイズ、コントラストを顕著に変化させ、放射移動の考慮が正確なモデリングに不可欠であることを示した。
• 本モデルは、熱的構造を無視すると、影をより遠方の同伴惑星が形成したギャップと誤解する誤ったディスク特徴の解釈が生じることを示した。