[논문 리뷰] Dispersal of protoplanetary discs: How stellar properties and the local environment determine the pathway of evolution

Gavin A. L. Coleman, Thomas J. Haworth|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 90인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 점성으로 진화하는 원행성원반에서 내부 및 외부 광해리의 병합 효과를 모델링하여, 내부에서부터, 외부에서부터, 그리고 중간 상태로 남는 내부 물질을 포함한 다섯 가지 구분되는 분해 경로를 규명한다. 주요 발견은 고자외선 환경에서 외부 원반의 빠른 분해로 전이 원반 형성이 억제되어, 오리온 성운 집단과 같은 지역에서 전이 원반이 부족한 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We study the evolution and final dispersal of protoplanetary discs that evolve under the action of internal and external photoevaporation, and different degrees of viscous transport. We identify five distinct dispersal pathways, which are i) very long lived discs ($>20\,$Myr), ii) inside-out dispersal where internal photoevaporation dominates and opens inner holes, iii) outside-in dispersal where external photoevaporation dominates through disc truncation and two intermediate regimes characterised by lingering material in the inner disc with the outer disc dispersed predominantly by either internal or external photoevaporation. We determine how the lifetime, relative impact of internal and external winds and clearing pathway varies over a wide, plausible, parameter space of stellar/disc/radiation properties. There are a number of implications, for example in high UV environments because the outer disc lifetime is shorter than the time-scale for clearing the inner disc we do not expect transition discs to be common, which appears to be reflected in the location of transition disc populations towards the Orion Nebular Cluster. Irrespective of environment, we find that ongoing star formation is required to reproduce observed disc fractions as a function of stellar cluster age. This work demonstrates the importance of including both internal and external winds for understanding protoplanetary disc evolution.

연구 동기 및 목표

• 항성 특성과 국지적 환경이 원행성원반의 진화 및 분해에 어떻게 동시에 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 은하단 내에서 관측 스크래치와 지속적인 항성 형성으로 인해 원반 수명을 추정하는 데 어려움이 있는 문제를 해결하는 것.
• 중심 항성으로부터의 내부 광해리(엑스선/극우주선)와 주변 거대 항성으로부터의 외부 광해리(근적외선) 간의 상호작용이 원반 진화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 세밀한 조정 없이도 관측된 원반 분율과 전이 원반의 흔함을 재현할 수 있는지 확인하는 것.
• 점성 이동의 역할과 넓은 매개변수 공간에서의 분해 경로에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 표면 밀도 진동을 지배하는 확산 방정식을 사용한 1차원 점성 원반 모델을 사용한다.
• 중심 항성으로부터의 내부 광해리(중심 항성의 엑스선 및 극우주선)와 주변 거대 항성으로부터의 외부 광해리(근적외선)에 의한 질량 손실를 포함한다.
• 각 반경에서 내부 및 외부 광해리 속도의 최대값을 적용한다: ẟΣPE(r) = max(ẟΣI,EUV, ẟΣI,X, ẟΣE,FUV).
• 관측에 기반한 넓은 매개변수 공간에서 항성 질량, 내부 엑스선 빛의 강도, 외부 근적외선 플럭스, 점성 계수(α)를 다양하게 조정한다.
• 시간에 따른 원반 진화를 추적하여 내부에서부터 또는 외부에서부터의 청소 순서에 따라 구분되는 특별한 분해 경로를 식별한다.
• 내부에서부터와 외부에서부터의 청소 영역을 구분하고 중간 상태를 식별하기 위해 경험적으로 '청소 반경'을 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 및 외부 광해리가 동시에 작용할 때 원행성원반의 주요 분해 경로는 무엇인가?
• RQ2 항성 질량, 내부 엑스선 빛의 강도, 외부 근적외선 플럭스가 원반 분해 시간과 경로에 어떻게 동시에 영향을 미치는가?
• RQ3 오리온 성운 집단과 같은 고자외선 환경에서 전이 원반이 희소한 이유는 무엇이며, 이는 외부 광해리로 설명될 수 있는가?
• RQ4 지속적인 항성 형성은 은하단 연령에 따라 관측된 원반 분율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 매우 오랜 수명을 가진 '피터 팬' 원반(>40 Myr)의 존재는 낮은 내부 및 외부 광해리 속도로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 다섯 가지의 명확한 분해 경로가 규명되었다: (i) 장수 원반 (>20 Myr), (ii) 내부에서부터의 청소를 통한 내부 광해리, (iii) 외부에서부터의 단절을 통한 외부 광해리, (iv) 내부에서의 지속적인 유입이 있는 내부에서부터의 청소, (v) 일시적인 간극이 있는 외부에서부터의 청소.
• 고자외선 환경에서는 외부 원반이 내부 원반보다 더 빨리 분해되어, 내부 빈공이 특징적인 전이 원반은 흔하지 않으며, 오리온 성운 집단의 관측 결과와 일치한다.
• 지속적인 항성 형성 없이 관측된 원반 분율을 재현하는 데에는 부적합하며, 특히 첫 3 Myr 동안 원반 분율이 너무 빨리 감소한다.
• 모델은 내부 엑스선 빛의 강도와 외부 근적외선 플럭스가 모두 낮을 때에만 '피터 팬' 원반(>40 Myr)의 희소성을 재현할 수 있으며, 이는 보호된 고요한 환경이 필요하다는 것을 시사한다.
• 환경의 영향은 원반 분율에 대해 첫 약 3 Myr 동안 가장 두드러지며, 이후에는 약한 지속적인 항성 형성이 분해 경로를 결정짓는다.
• 고점성, 고내부광해리 모델은 저점성 원반에서 자기유체역학적(마그네토유체역학적, MHD) 풍속에 의한 분해를 대체로 설명할 수 있으며, 이는 주요 결과를 재현하기 위해 MHD 풍속이 반드시 필요하지 않다는 것을 시사한다.