[論文レビュー] Suppression of giant planet formation in stellar clusters

Philip J. Armitage|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、星団内の巨大星からの光蒸発が、原始惑星円盤の寿命を著しく短縮することによって、巨大惑星形成を抑制する仕組みを調査している。外部紫外線放射の下での円盤進化モデルを用いて、オリオンのような豊富な星団では、核心降着が巨大惑星を形成できる時間的余裕がないか、あるいは急速な流体力学的収縮が起こるか、低質量星と高質量星の形成の間に顕著な遅延がある場合を除いて、巨大惑星形成は不可能であることが示されている。

ABSTRACT

Photoevaporation driven by the ultraviolet radiation from massive stars severely limits the lifetime of protoplanetary discs around stars formed within stellar clusters. I investigate the resulting influence of clustered environments on the probability of giant planet formation, and show that for clusters as rich, or richer than, Orion, the time available for planet formation is likely to be limited to the length of any delay between low mass and high mass star formation. Under popular models for the formation of massive planets, the fraction of stars with giant planets in rich clusters is expected to be substantially suppressed as compared to less clustered star formation environments.

研究の動機と目的

• 集団的星形成環境が巨大惑星形成に要する時間スケールに与える影響を評価すること。
• 星団内の巨大星からの外部紫外線放射が、原始惑星円盤の寿命に与える影響を調査すること。
• 47 Tucanaeのような密度の高い星団で観測される巨大惑星の希少性が、円盤の光蒸発によって説明可能かどうかを評価すること。
• このような過酷な環境でも、巨大惑星形成が依然として可能となる条件を特定すること。
• 特に惑星形成時間スケールに関連して、孤立系と豊富な星団における円盤寿命の比較

提案手法

• 星団内の巨大星からの紫外線放射場を、星の進化モデル（Schaller et al. 1992）と大気モデル（Kurucz）を用いてモデル化すること。
• 電離放射のフラックスを計算し、特にEUV駆動の流れに起因する円盤加熱と質量損失に及ぼす影響を評価すること。
• 加熱によってガスが束縛されなくなる重力半径（Rg）を推定し、式 Rg ≈ 0.5GM*/c_s^2 を用いること。
• 星団の豊富さに応じた外部紫外線放射の強度と継続時間に基づき、円盤の生存期間を評価すること。
• 核心降着による巨大惑星形成に要する理論的時間スケール（例：Pollack et al. 1996）と、星団内での円盤寿命を比較すること。
• 直接的流体力学的収縮（Boss 1998）や高質量星形成の遅延といった代替形成経路が、生存の可能性を高めるかどうかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星団内の巨大星の存在が、原始惑星円盤の寿命にどのように影響を与えるか。
• RQ2 核心降着による巨大惑星形成に必要な最小の円盤寿命は何か？ そして、このような環境で達成可能か。
• RQ3 外部紫外線源からの光蒸発が、47 Tucanaeのような密度の高い星団で観測される巨大惑星の低頻度を説明できるか。
• RQ4 低質量星と高質量星の形成の間に遅延（例：>10^6 yr）があるなど、どのような条件下で星団内でも巨大惑星形成が可能となるか。
• RQ5 星団の豊富さ（星の数）が、円盤破壊による惑星形成の抑制にどのように影響するか。

主な発見

• オリオンのような豊富な星団では、巨大星からの光蒸発によって円盤寿命が著しく短縮され、巨大惑星形成に必要な時間が著しく制限される。
• 約10^5個の星を有する星団では、星団中心からの距離に応じて、円盤寿命が数百万年以下にまで短縮される可能性がある。
• 核心降着による巨大惑星形成では、約10^6 yrの円盤寿命は不十分であり、10^5 yr程度の寿命では、ほとんど確実にこのような形成が不可能となる。
• 巨大惑星形成の抑制は、豊富な星団で最も顕著であり、星団中心から数パーセクの範囲にわたり影響を及ぼす。
• 低質量星と高質量星の形成の間に顕著な遅延（例：>10^6 yr）がある場合、円盤破壊が始まる前に惑星形成が進行する可能性がある。
• 直接的流体力学的収縮などの代替形成メカニズムは、短命な円盤でも巨大惑星の形成を可能にする可能性を示し、密度の高い星団で希少に観測される例の説明となる可能性がある。