[論文レビュー] The Protostellar Jet Model of Chondrule Formation

Kurt Liffman, M. J. I. Brown|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、原始太陽から0.1 AU以内のプロトステラージェット内に進入するkmサイズの天体から生じる剥離液滴として、ケイ酸塩粒子が形成されたと提案する。ジェットの高速で光学的に厚い流れが物質を剥離し、急速に冷却され、ガス抵抗によって粒子径が分類される。モデルは、三重複合ケイ酸塩粒子において、2つの二次的ケイ酸塩粒子が層流の流れまたは速やかな回転減衰により互いを避け合うと予測しており、これは4つの観測されたケイ酸塩粒子に関する既存のデータと整合的である。

ABSTRACT

A chondrule formation theory is presented where the chondrule formation zone is located within 0.1 AU of the protosun. This hot, optically thick, inner zone of the solar accretion disk is coincident with the formation region of the protosolar jet. The model assumes that particles, ranging in diameter from 1 micron to 1 cm, can be ejected from the inner-accretion disk by the jet flow, and that the angular momentum of this material is sufficient to eject it from the jet flow. Given these assumptions, any material so ejected, will fly across the face of the accretion disk at speeds greater than the escape velocity of the system. This material can only be recaptured through the action of gas drag. Such a capture process naturally produces aerodynamic size sorting of chondrules and chondrule fragments, while the ejection of refractory dust provides a possible explanation for the observed complementarity between matrix and chondrules. This transfer of material will result in the loss of angular momentum from the upper atmosphere of the outer accretion disk and thereby facilitate the accretion of matter onto the protosun.

研究の動機と目的

• 原始太陽系におけるケイ酸塩粒子の起源を、新規のジェット駆動剥離メカニズムによって説明すること。
• 冷却速度、粒子径の上限、ケイ酸塩粒子とマトリックスの間の化学的相補性といった、未解決の問題を扱うこと。
• ジェット流れ内の空気力学的および動力学的制約に基づき、三重複合ケイ酸塩粒子の構造的配置を予測すること。
• 角運動量の転送を通じて、プロトステラージェット活動が原始惑星環状円盤における加速的降着を引き起こすメカニズムを提示すること。
• 一つの物理的モデル内で、ケイ酸塩粒子の形成、冷却、破壊、粒子径の分類といった複数の特性を統合的に説明するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 原始太陽から0.1 AU以内の高温・高密度のプロトステラージェット領域に進入する巨大天体（1–10 km）の剥離を、ケイ酸塩粒子形成のメカニズムとしてモデル化する。
• ガス抵抗と表面張力のバランスを用いて滴の大きさを決定し、~1 cm未満の滴がジェットの膨張速度に従って放出・冷却されることを想定する。
• 臨界ガス密度（~10⁻¹¹ g cm⁻³）を用いて、滴が減衰振動を起こし再加熱を受ける条件を特定する。
• 十分な角運動量を有する粒子のジェットからの放出をシミュレートし、その後外側の惑星環状円盤でガス抵抗によって再捕獲されることを想定する。
• 再捕獲過程における空気力学的粒子径分類をモデル化し、ガス抵抗に作用を受ける粒子のみが保持され、より大きな粒子は脱出するという仕組みを導入する。
• 層流の流れと回転減衰時間スケールに基づき、三重複合ケイ酸塩粒子における二次的ケイ酸塩粒子の最小回避角を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケイ酸塩粒子は、プロトステラージェット内に進入する大きな天体の剥離によって形成可能であり、このメカニズムがその急速な冷却速度を説明できるか？
• RQ2 特に三重複合ケイ酸塩粒子において、二次的ケイ酸塩粒子が互いに避け合う構造的特徴は、どのように説明できるか？
• RQ3 ジェット流れ内の物理的条件が、ケイ酸塩粒子の上限サイズ（~1 cm）を決定し、より大きな滴が放出されない理由をどのように規定するか？
• RQ4 ジェットモデルは、普通隕石におけるケイ酸塩粒子とマトリックスの間の化学的相補性をどのように説明するか？
• RQ5 ジェットメカニズムは、ケイ酸塩粒子の空気力学的粒子径分類および内側の惑星環状円盤からの放出を自然に説明できるか？

主な発見

• ケイ酸塩粒子は、原始太陽から0.1 AU以内のプロトステラージェットに進入するkmサイズの天体から生じる剥離液滴として予測され、高エネルギー密度のジェット風により滴の半径が~1 cm未満に制限される。
• モデルは、三重複合ケイ酸塩粒子において、2つの二次的ケイ酸塩粒子が層流の流れまたは速やかな回転減衰により互いを避け合うと予測しており、その最小回避角は流体力学的制約から導出される。
• 理論的分析により、ガス密度が~10⁻¹¹ g cm⁻³未満になると減衰振動と再加熱が生じることを示し、観測されたケイ酸塩粒子の再加熱イベントを説明できる。
• ケイ酸塩粒子の破壊は、複合ケイ酸塩粒子の形成よりも高い高度で発生し、ジェットが冷却され、衝突時のケイ酸塩粒子が固体である状態で衝突する場所である。
• ジェットによる難揮発性ダストおよびケイ酸塩粒子の放出が、ケイ酸塩粒子とマトリックスの間の観測された化学的相補性を説明する。上部の惑星環状円盤の大気中に、最大で10⁻⁷–10⁻⁶ M⊙のダストが推定される。
• 放出された粒子の再捕獲過程において、空気力学的粒子径分類が自然に発生する。ガス抵抗に作用を受ける粒子のみが保持され、より速い運動を持つ粒子はシステムから脱出する。