[論文レビュー] Spiral-driven accretion in protoplanetary discs - III tri-dimensional simulations

P. Hennebelle, Geoffroy Lesur+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 22, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、RAMSESコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションを用い、周囲の分子雲からの外部的降着が原始惑星系円盤の構造および角運動量輸送に与える影響を調査する。中程度の降着率（約3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹）では、強いスパイラル構造を駆動し、内側円盤ではα粘性係数が最大5×10⁻³に達することが判明した。また、降着された質量の少なくとも50%が内側円盤に到達しており、外部降着が移行的円盤に観測されるスパイラル構造を説明する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Understanding how accretion proceeds in proto-planetary discs and more generally their dynamics is a crucial issue for explaining the conditions in which planets form. The role that accretion of gas from the surrounding molecular cloud onto the disc may have on its structure needs to be quantified. We perform tri-dimensional simulations using the Cartesian AMR code RAMSES of an accretion disc subject to infalling material. For the aspect ratio of $H/R \simeq 0.15$ and disk mass $M_d \simeq 10^{-2}$ M$_\odot$ used in our study, we find that for typical accretion rates on the order of a few 10$^{-7}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$, values of the $α$ parameter as high as a few 10$^{-3}$ are inferred. The mass that is accreted in the inner part of the disc is typically at least $50\%$ of the total mass that has been accreted onto the disc. Our results suggest that external accretion of gas at moderate values, onto circumstellar discs may trigger prominent spiral arms, reminiscent of recent observations made with various instruments, and lead to significant transport through the disc. If confirmed from observational studies, such accretion may therefore influence disc evolution.

研究の動機と目的

• 外部ガス降着が原始惑星系円盤の構造および角運動量輸送に与える影響を定量化すること。
• 親分子雲からの降着が、低質量円盤において顕著な降着およびスパイラル構造の形成を引き起こす可能性があるかどうかを調査すること。
• 2次元モデルと比較して、3次元ダイナミクスが角運動量輸送をどの程度強化するかを特定すること。
• 降着ガスの幾何学的形状と角運動量が、円盤の進化およびスパイラルパターン形成に与える影響を評価すること。
• 最近の移行的円盤におけるスパイラル構造の観測結果と比較し、それらが惑星によって引き起こされるのではなく、降着によって駆動される可能性があるかどうかを検証すること。

提案手法

• カーテシアン自己適合メッシュリファインメント（AMR）コードRAMSESを用いた3次元流体力学的シミュレーションを実施する。
• 降着率が約10⁻⁷から4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹の範囲で、質量Md ≈ 10⁻² M⊙、アスペクト比H/R ≈ 0.15の円周円盤をモデル化する。
• 磁場および自己重力の影響を無視することで、降着が円盤ダイナミクスに与える流体力学的効果を孤立して分析する。
• 衝撃波およびスパイラル構造の解像度を確保するため、自己適合メッシュリファインメントを用いた3次元カーテシアングリッドを用いる。
• 円盤内の応力と圧力からα粘性係数を計算し、2次元平均値と3次元寄与の区別を図る。
• 降着の幾何学的形状と角運動量を変化させることで、それらがスパイラル形成および輸送効率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 中程度の降着率で、他のメカニズムと同等またはそれ以上のα粘性係数が原始惑星系円盤で達成可能か？
• RQ2 円盤面の上下からの3次元的降着は、2次元的平面内降着と比較して、角運動量輸送をどの程度強化するか？
• RQ3 実際に内側円盤（r < 0.5 R_d）に到達する降着質量はどれくらいで、その内訳はどのようになるか？
• RQ4 降着ガスの角運動量が、円盤内でのスパイラル構造の形成に果たす役割は何か？
• RQ5 移行的円盤に観測されるスパイラルパターンは、惑星によって引き起こされる波ではなく、外部降着によって駆動される可能性があるか？

主な発見

• 降着率が約3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹の場合、内側円盤（r ≈ 0.05–0.1 R_d）ではα粘性係数が最大5×10⁻³に達し、孤立円盤と比較して顕著に高い値を示す。
• 円盤外縁部では、α値が最大10⁻¹に達するなど、大半の半径領域で強い輸送が観測される。
• 降着された総質量の約50%が内側円盤（r < 0.5 R_d）に運搬されるが、円盤境界が明確に定義されないため、この値は近似値である。
• 内側円盤では、3次元的応力（α_z）の大きさが2次元平均応力（α_2D）と同等に達しており、垂直方向のダイナミクスが輸送を顕著に強化していることが示唆される。
• スパイラル構造は主に降着ガスの運動学的性質によって駆動されており、衝撃進入直前にはストリームラインが半径方向に対して約45°～60°の角度をなしている。
• 角運動量が小さい降着ガスは、より顕著で長期間にわたるスパイラルパターンを形成する。これは、このような流れが移行的円盤に観測されるスパイラル構造を模倣または説明する可能性を示唆している。