[논문 리뷰] A new formation scenario of a counter-rotating circumstellar disk: spiral-arm accretion from a circumbinary disk in a triple protostar system

Daisuke Takaishi, Yusuke Tsukamoto외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 삼중 원형성운 별계에서, 제3의 원형성운 별이 원환형 별계의 분열을 통해 형성되고, 이후 원환형 별계로부터의 나선다리 형성에 의한 물질 붕괴로 인해 그 원형성운 별의 원형성운 원판의 회전 방향이 뒤집히는 새로운 형성 메커니즘을 제안한다. 이 이중 회전은 약 64,000년간 유지되며, 자기장이나 初기 기울임이 없이도 ALMA 관측 결과로 관측된 이중 회전 원형성운 원판을 설명하는 유체역학적 경로를 제공한다.

ABSTRACT

We present the evolution of rotational directions of circumstellar disks in a triple protostar system simulated from a turbulent molecular cloud core with no magnetic field. We find a new formation pathway of a counter-rotating circumstellar disk in such triple systems. The tertiary protostar forms via the circumbinary disk fragmentation and the initial rotational directions of all the three circumstellar disks are almost parallel to that of the orbital motion of the binary system. Their mutual gravito-hydrodynamical interaction for the subsequent $\sim10^4 hinspace m{yr}$ greatly disturbs the orbit of the tertiary, and the rotational directions of the tertiary disk and star are reversed due to the spiral-arm accretion of the circumbinary disk. The counter-rotation of the tertiary circumstellar disk continues to the end of the simulation ($\sim6.4 imes10^4 hinspace m{yr}$ after its formation), implying that the counter-rotating disk is long-lived. This new formation pathway during the disk evolution in Class 0/I Young Stellar Objects possibly explains the counter-rotating disks recently discovered by ALMA.

연구 동기 및 목표

• 최근 ALMA로 관측된 젊은 이중성운 별계에서 관측된 이중 회전 원형성운 원판의 기원을 설명하기 위해.
• 이러한 이중 회전 원형성운 원판이 삼중 원형성운 별계에서 순수 유체역학적 과정을 통해 형성될 수 있는지 조사하기 위해.
• 원환형 별계로부터의 나선다리 형성에 의한 물질 붕괴가 제3의 원형성운 원판의 회전 방향을 뒤집을 수 있는지 확인하기 위해.
• 변화하는 Class 0/I 시스템에서 이러한 이중 회전 원형성운 원판의 장기적 안정성과 생존 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 100만 개의 입자를 사용한 3차원 스무딩 입자 유체역학(SPH)을 이용해 난류적이며 자기장이 없는 분자운핵의 붕괴를 시뮬레이션하였다.
• SPH 입자의 밀도가 ρsink = 4 × 10⁻⁸ g cm⁻³를 초과할 경우 형성된 싱크 입자를 통해 원형성운 원판의 형성과 진화를 추적하였다.
• 원형성운 원판을 싱크 입자에 의해 중력적으로 유인된 SPH 입자로 정의하였으며, 100 au 이내에 위치하고, 탄성 속도가 축방향 속도보다 200배 이상 높은 경우로 간주하였다.
• 시간에 따른 표면 밀도 및 속도장 분석을 통해 원판의 회전 방향 변화를 모니터링하였다.
• 3차원 시각화 도구(SPLASH)를 사용하여 보조 영상 제작 및 원판 운동학 분석을 수행하였다.
• 밀도 가중 선형 속도 및 표면 밀도 등고선을 사용하여 원판 특성을 정량화하여 이중 회전을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 유체역학적 과정을 통해 삼중 원형성운 별계에서 이중 회전 원형성운 원판이 형성될 수 있는가?
• RQ2 제3의 원형성운 별에서 원판의 회전 방향을 뒤집는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 원환형 별계로부터의 나선다리 형성에 의한 물질 붕괴가 이중 회전을 유도하고 유지하는 데에 충분한가?
• RQ4 동적 변화가 지속되는 삼중 시스템에서 이중 회전 원판은 얼마나 오랫동안 유지될 수 있는가?
• RQ5 이 형성 경로는 궤도 공진에 의존하는가, 아니면 나선다리와의 우연한 만남에 의존하는가?

주요 결과

• 제3의 원형성운 원판(csd3)은 원환형 별계와 주 원판에 대해 공전 방향으로부터 이중 회전으로 방향을 뒤집는다. 이는 원환형 별계로부터의 나선다리 형성에 의한 물질 붕괴로 인한 것이다.
• 이중 회전은 시뮬레이션의 나머지 기간 동안 약 64,000년간 유지되며, 장기적 안정성을 나타낸다.
• 원판의 회전 방향 뒤집힘은 제3의 원형성운 별이 원환형 별계의 나선다리의 뒷면을 통과할 때 발생하며, 이로 인해 순수하게 이중 회전 방향의 물질 붕괴가 발생한다.
• csd3의 SPH 입자들은 뒤집힘 단계 동안 거의 전적으로 원환형 별계로부터 재충전되며, 이후 만남에서는 최소한의 재충전이 일어난다.
• 선형 속도 투영도(그림 6)에서는 csd3의 청색 이동 및 빨간색 이동 성분이 csd1 및 csd2와 반대 방향으로 나타나 이중 회전을 확인한다.
• 이 메커니즘은 자기장 없이도 작동하며, 순수하게 중력-유체역학적 상호작용과 원환형 별계 내 나선다리의 구조에 의존한다.