[논문 리뷰] 3D-radiation hydro simulations of disk-planet interactions: I. Numerical algorithm and test cases

Hubert Klahr, W. Kley|ArXiv.org|2005. 10. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 29인용 수 64

한 줄 요약

이 연구는 완전한 열역학적 처리를 통해 원형행성-디스크 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 3D 복사유체역학 코드(TRAMP)를 제시한다. 이는 적절한 에너지 수송이 일어날 경우 압력에 의해 지지되는 두꺼운 원형행성 환경을 형성하며, H/R ≈ 0.5가 되는 반면, 이sov thermal 모델에서는 얇은 케플러 운동 디스크가 된다는 것을 보여준다. 주요 결과는 이러한 구조가 고체의 빠른 내측 이동으로 인해 원형행성 물질에서 위성 형성의 억제를 초래하며, 등온 모델에 비해 토크 변동성이 증가한다는 것이다.

ABSTRACT

We study the evolution of an embedded protoplanet in a circumstellar disk using the 3D-Radiation Hydro code TRAMP, and treat the thermodynamics of the gas properly in three dimensions. The primary interest of this work lies in the demonstration and testing of the numerical method. We show how far numerical parameters can influence the simulations of gap opening. We study a standard reference model under various numerical approximations. Then we compare the commonly used locally isothermal approximation to the radiation hydro simulation using an equation for the internal energy. Models with different treatments of the mass accretion process are compared. Often mass accumulates in the Roche lobe of the planet creating a hydrostatic atmosphere around the planet. The gravitational torques induced by the spiral pattern of the disk onto the planet are not strongly affected in the average magnitude, but the short time scale fluctuations are stronger in the radiation hydro models. An interesting result of this work lies in the analysis of the temperature structure around the planet. The most striking effect of treating the thermodynamics properly is the formation of a hot pressure--supported bubble around the planet with a pressure scale height of H/R ~ 0.5 rather than a thin Keplerian circumplanetary accretion disk. We also observe an outflow of gas above and below the planet during the gap opening phase.

연구 동기 및 목표

• 완전한 열역학적 처리를 통해 원형행성-디스크 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 3D 복사유체역학 코드(TRAMP)를 개발하고 테스트하는 것.
• 복사 수송, 수치 해상도, 질량 축적 모델링이 갭 형성과 행성 이동에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 원형행성 디스크 내에서 질량이 Jupiter에 해당하는 행성 주변의 3차원 온도 및 밀도 구조를 조사하는 것.
• 현실적인 열역학이 원형행성 축적 및 위성 형성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 일반적으로 사용되는 局소等온 근사와의 비교를 통한 복사유체역학의 평가.

제안 방법

• TRAMP 코드는 복사 수송을 위해 유량 제한된 확산 근사를 사용하여 3D 유체역학 방정식을 해결한다.
• 상태 방정식은 열에너지와 내부에너지의 변화를 포함하여 축적 빛의 가열을 적절히 처리할 수 있도록 한다.
• 모델은 원형행성 주변에 네스트드 격자 정밀화를 사용한 3D 디스크 내에 고정된 Jupiter 질량의 행성을 사용한다.
• 변동하는 질량 축적률을 포함하고 있으며, 행성 축적에서 발생하는 에너지 투입을 추적한다.
• 경계 조건 및 초기 조건은 중심 항성과 질량이 큰 행성을 포함한 침착한 원형행성 디스크를 모의하기 위해 설정된다.
• 해상도 및 축적 처리와 같은 수치적 파rameter들을 체계적으로 변화시켜 결과의 탄력성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사 수송은 3D 행성-디스크 시뮬레이션에서 갭 형성 과정과 토크 변화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 열역학을 현실적으로 처리했을 때 질량이 큰 원형행성 주변의 3차원 온도 및 밀도 구조는 어떠한가?
• RQ3 압력에 의해 지지되는 원형행성 기체의 특성—예를 들어 척도 높이 및 회전 프로파일—은 얇은 디스크 근사와 어떻게 다를까?
• RQ4 수치 해상도와 질량 축적 모델링은 시뮬레이션 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 압력에 의해 지지되는 환경이 원형행성 주변에 형성될 수 있으며, 그로 인한 위성 형성에 대한 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 원형행성 기체는 압력에 의해 지지되는 두꺼운 환경을 형성하며, 그 압력 척도 높이 H/R ≈ 0.5로 얇은 디스크 근사보다 훨씬 두껍다.
• 원형행성 영역 내에서의 회전 속도는 케플러 속도의 약 50%에 불과하여 강한 열압력 지지가 있음을 나타낸다.
• 두꺼운 환경의 구조는 얇은 디스크 근사를 무효화하며, 케플러 운동 디스크가 아니라 원형행성 기체의 구름 구조를 의미한다.
• 만약 고체 물질이 0.1 Roche 반경에서 방출된다면, 그들은 한 달 이내에 행성으로 빨려들어가므로 원형행성 물질에서 위성 형성은 거의 불가능하다.
• 실제 축적을 고려한 복사유체역학 모델에서는 등온 모델에 비해 토크 변동성이 약 10배 정도 더 크다.
• 초기 갭 형성 기간 동안 기체의 수직 분출이 관측되었으며, 이는 수천 년에 걸쳐 지속되었고 산산이 흩어지는 빛에서 감지 가능할 수 있다.