[論文レビュー] The dispersal of protoplanetary discs -- III: Influence of stellar mass on disc photoevaporation

Giovanni Picogna, Barbara Ercolano+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 47被引用数 62

ひとこと要約

本研究は、低質量星（0.1–1 M⊙）周囲の原始惑星円盤におけるX線光蒸発をモデル化し、質量損失率が星の質量に比例して増加することを示している。これは、円盤のアスペクト比の変化とX線の浸透深さに起因する。モデルは、内側円盤の寿命が星の質量が小さいほど短くなるという観測された「内側から散逸する」傾向をうまく再現しており、X線光蒸発が円盤進化の後期段階で支配的な散逸機構であることを確認している。

ABSTRACT

The strong X-ray irradiation from young solar-type stars may play a crucial role in the thermodynamics and chemistry of circumstellar discs, driving their evolution in the last stages of disc dispersal as well as shaping the atmospheres of newborn planets. In this paper we study the influence of stellar mass on circumstellar disc mass-loss rates due to X-ray irradiation, extending our previous study of the mass-loss rate's dependence on the X-ray luminosity and spectrum hardness. We focus on stars with masses between 0.1 and 1 Solar mass, which are the main target of current and future missions to find potentially habitable planets. We find a linear relationship between the mass-loss rates and the stellar masses when changing the X-ray luminosity accordingly with the stellar mass. This linear increase is observed also when the X-ray luminosity is kept fixed because of the lower disc aspect ratio which allows the X-ray irradiation to reach larger radii. We provide new analytical relations for the mass-loss rates and profiles of photoevaporative winds as a function of the stellar mass that can be used in disc and planet population synthesis models. Our photoevaporative models correctly predict the observed trend of inner-disc lifetime as a function of stellar mass with an increased steepness for stars smaller than 0.3 Solar mass, indicating that X-ray photoevaporation is a good candidate to explain the observed disc dispersal process.

研究の動機と目的

• 星の質量が原始惑星円盤におけるX線駆動光蒸発による質量損失にどのように影響するかを調査すること。
• X線光蒸発が、星の質量が小さいほど内側円盤の寿命が短くなるという観測傾向を説明できるかを特定すること。
• 人口合成モデルへの応用を目的として、星の質量関数としての質量損失率および風プロファイルの解析的関係を導出すること。
• λ Oriなどの若い星団からの観測制約に対して、光蒸発モデルの頑健性をテストすること。
• 星の質量依存の円盤構造と放射体効果を組み込むことで、円盤進化モデルの物理的妥当性を向上させること。

提案手法

• 球座標系で高空間分解能（500セル）を有し、風発生領域付近で極座標の細分化を施した、改変版PLUTOコードを用いた流体力学的シミュレーション。
• 初期円盤構造は、1 Myrの星を仮定し、Z = 0.02でオーバーシュートなしを想定したDIAD放射移動モデルから導出。
• X線放射体は、Güdelら（2007）に基づき、星の質量に従ってスケーリングする。log10(L_X) = 1.54 log10(M★) + 30.31。
• 表面温度プロファイルは、X線加熱とイオン化パラメータξ = L_X / (n r²) を考慮したMOCCaSSコードで計算。
• 数百年分の軌道を進化させ、定常状態の風解を得、累積流出からの質量損失率を測定。
• 星の質量（0.1–1 M⊙）にわたる表面質量損失率プロファイルの解析的フィッティング関数を導出し、人口合成コードへの直接適用を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の質量は、原始惑星円盤におけるX線駆動光蒸発率にどのように影響するか？
• RQ2 円盤のアスペクト比は、異なる星の質量においてX線の浸透と風効率をどのように調節するか？
• RQ3 X線光蒸発のみで、星の質量が小さいほど内側円盤寿命が短くなるという観測傾向を説明できるか？
• RQ4 得られた質量損失率および風プロファイルは星の質量にどのようにスケーリングされ、解析的関係で記述できるか？
• RQ5 モデル予測は、λ Oriのような若い星団における観測された円盤割合とどの程度一致するか？

主な発見

• X線光蒸発に起因する累積的質量損失率は、観測されたL_X ∝ M★^1.54 関係に従ってX線放射体をスケーリングした場合、星の質量に比例して増加する。
• X線放射体を固定した場合でも、星の質量が小さいほど質量損失率が増加する。これは、平坦な円盤アスペクト比によりX線の浸透が深くなり、風形成が強化されるためである。
• 風の音速面における温度は星の質量に比例しており、星の出力と円盤風のエネルギーに直接的な熱的結合があることを示している。
• モデルは、星の質量が大きいほど内側円盤寿命が長くなるという観測傾向を再現しており、0.3 M⊙未満の星ではより急激な減少を示し、λ Oriからの観測データと一致する。
• 表面質量損失率プロファイルの解析的フィッティング関数は表2に示されており、円盤および惑星人口合成モデルへの直接的な実装が可能である。
• 初期円盤質量を0.14 M★に線形スケーリングするモデルが、λ Oriにおける観測された円盤割合と最も一致し、固定値または非線形スケーリングの従来モデルを上回る性能を示した。