[論文レビュー] Standing on the shoulders of giants: Trojan Earths and vortex trapping in low mass self-gravitating protoplanetary disks of gas and solids

Wladimir Lyra, Anders Johansen+2 more|ArXiv.org|Oct 17, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 48被引用数 79

ひとこと要約

本稿は、質量が木星に相当する惑星が低質量で自己重力を持つ原始惑星系円盤に及ぼす影響によって、長期間にわたって高圧領域（ラグランジュ点およびロスビー渦）が形成され、固体が急速に重力収縮を経て惑星胚へと形成されることを調査している。1–10 cmの粒子では、200軌道未満で収縮が発生し、地球から超地球型の惑星（最大17 M⊕）が形成される。特に渦とラグランジュ点で顕著である。

ABSTRACT

Centimeter and meter sized solid particles in protoplanetary disks are trapped within long lived high pressure regions, creating opportunities for collapse into planetesimals and planetary embryos. We study the accumulations in the stable Lagrangian points of a giant planet, as well as in the Rossby vortices launched at the edges of the gap it carves. We employ the Pencil Code, tracing the solids with a large number of interacting Lagrangian particles, usually 100,000. For particles of 1 cm to 10 cm radii, gravitational collapse occurs in the Lagrangian points in less than 200 orbits. For 5 cm particles, a 2 Earth mass planet is formed. For 10 cm, the final maximum collapsed mass is around 3 Earth masses. The collapse of the 1 cm particles is indirect, following the timescale of depletion of gas from the tadpole orbits. In the edges of the gap vortices are excited, trapping preferentially particles of 30 cm radii. The rocky planet that is formed is as massive as 17 Earth masses, constituting a Super-Earth. By using multiple particle species, we find that gas drag modifies the streamlines in the tadpole region around the classical L4 and L5 points. As a result, particles of different radii have their stable points shifted to different locations. Collapse therefore takes longer and produces planets of lower mass. Three super-Earths are formed in the vortices, the most massive having 4.4 Earth masses. We conclude that a Jupiter mass planet can induce the formation of other planetary embryos in the outer edge of its gas gap. Trojan Earth mass planets are readily formed, and although not existing in the solar system, might be common in the exoplanetary zoo.

研究の動機と目的

• 自己重力を持つ原始惑星系円盤内に存在する巨大惑星が誘発する高圧領域に閉じ込められた固体の重力収縮による惑星胚の形成を調査すること。
• 巨大惑星の溝内におけるラグランジュ点およびロスビー渦が、固体を十分に濃縮して重力収縮を引き起こすかどうかを特定すること。
• 粒子サイズ、ガス抵抗、自己重力が固体濃度の力学的挙動と収縮 timescale に与える影響を評価すること。
• 特にコア成長シナリオの文脈において、このような環境で超地球型惑星およびトロヤ型惑星が形成可能かどうかを評価すること。

提案手法

• Pencilコードを用いて、自己重力を持つ薄い原始惑星系円盤の全領域2次元Euler的流体力学的シミュレーションを実施し、流体力学方程式を解いた。
• 粒子の運動を100,000個のLagrangian粒子で追跡し、ガス抵抗および相互重力に従う。
• 固体相の重力ポテンシャルを、複数回の高速フーリエ変換を用いた粒子メッシュ法でポアソン方程式を解いて算出した。
• 木星質量の摂動子を導入して、円盤の進化をシミュレートし、L4/L5におけるトロヤ型軌道へのガス捕獲、溝の端縁におけるロスビー渦の励起を再現した。
• 高圧領域における重力不安定性の閾値に基づき、粒子の濃縮度、収縮 timescale、最終質量を分析した。
• 粒子サイズ（1–40 cm）およびガス抵抗が、ラグランジュ点および渦領域における粒子クラスタの空間的分布と安定性に与える影響を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力を持つ円盤内に存在する巨大惑星のラグランジュ点が、固体を十分に高密度に捕獲して重力収縮を引き起こすことができるか？
• RQ2 巨大惑星の溝の端縁に形成されるロスビー渦が、固体を効率的に濃縮し、微惑星の形成に至るか？
• RQ3 粒子サイズおよびガス抵抗が、これらの高圧領域における固体濃度の位置、安定性、収縮 timescale にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ラグランジュ点および渦内で重力収縮によって形成される惑星胚の最大質量は何か？また、観測された超地球型惑星と比較するとどうなるか？
• RQ5 自己重力および現実的な粒子力学を組み込んだ場合、これらの領域における収縮プロセスは安定しているか？あるいは凝集と抵抗の効果が本質的か？

主な発見

• 1 cmから10 cmの粒子では、ラグランジュ点で200軌道未満のうちに重力収縮が発生し、最大3 M⊕の惑星胚が形成される。
• 5 cmの粒子集団は2 M⊕の惑星に収縮するが、10 cmの粒子では最大約3 M⊕の質量に達する。
• 1 cmの粒子の収縮は直接的な重力不安定性によるものではなく、トロヤ型軌道からのガスの枯渇に伴う時間スケールで発生する。
• 溝の端縁における渦では、30 cmの粒子が濃縮され、最大17 M⊕の超地球型惑星に収縮し、異なる渦に3つのこのような惑星が形成された。
• 40 cmを超える粒子では重力収縮が発生しなかったことから、これらの環境下での効率的収縮には粒子サイズの閾値があることが示された。
• ガス抵抗は、粒子サイズに応じて安定なラグランジュ点をずらし、収縮を遅延させ、特にマルチスペーシーズのシミュレーションでは最終質量を低下させる。