[논문 리뷰] First 3-D grid-based gas-dust simulations of circumstellar disks with an embedded planet

Fabian Binkert, J. Szulágyi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 가스와 1-mm 먼지 동역학을 결합한 처음으로 3D 격자 기반의 원행성원반의 수치 시뮬레이션을 제시한다. 이는 행성이 먼지의 수직 방향으로 혼란을 일으켜 먼지 원반을 두껍게 하고, ALMA로 유도된 질량이 실제 원반 질량을 최대 10배까지 과소평가할 수 있음을 밝혀내며, 이는 이전의 투명성 높은 가정에 기반한 추정보다 원반 질량이 훨씬 클 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Substructures are ubiquitous in high resolution (sub-)millimeter continuum observations of circumstellar disks. They are possibly caused by forming planets embedded in the disk. To investigate the relation between observed substructures and young planets, we perform novel three-dimensional two-fluid (gas+1-mm-dust) hydrodynamic simulations of circumstellar disks with embedded planets (Neptune-, Saturn-, Jupiter-, 5 Jupiter-mass) at different orbital distances from the star (5.2AU, 30AU, 50AU). We turn these simulations into synthetic (sub-)millimeter ALMA images. We find that all but the Neptune-mass planet open annular gaps in both the gas and the dust component of the disk. We find that the temporal evolution of the dust density distribution is distinctly different of the gas'. For example, the planets cause significant vertical stirring of the dust in the circumstellar disk which opposes the vertical settling. This creates a thicker dust disk than disks without a planet. We find that this effect greatly influences the dust masses derived from the synthetic ALMA images. Comparing the dust disk masses in the 3D simulations and the ones derived from the 2D ALMA synthetic images, we find the former to be a factor of a few (up to 10) larger, pointing to that real disks might be significantly more massive than previously thought based on ALMA continuum images using the optically thin assumption and equation. Finally, we analyze the synthetic ALMA images and provide an empirical relationship between the planet mass and the width of the gap in the ALMA images including the effects of the beam size.

연구 동기 및 목표

• 3D 이유체 유체역학을 사용하여 임베디드된 행성이 원행성원반의 미세한 구조를 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• 행성의 중력 토크가 먼지 분포, 특히 수직 혼란과 갈림새 형성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 표준 투명성 높은 가정을 사용할 때 ALMA로 유도된 먼지 질량의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 관측된 ALMA 갈림새 너비와 행성 질량 사이의 정량적 경험적 관계를 수립하기 위해.
• turbulent 및 온도와 같은 원반 성질이 먼지 연속체에서의 행성 갈림새의 형태와 관측 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 질량( Neptune에서 5 Jupiter 질량까지)을 가진 임베디드된 행성이 포함된 원행성원반의 3D 격자 기반 유체역학 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 기체와 1-mm 먼지 동역학을 함께 모델링하기 위해 이유체 접근법을 사용하며, 먼지가 기체에 미치는 피드백도 포함하기 위해.
• 오비탈 반경(5.2 AU, 30 AU, 50 AU)을 다양하게 설정하여 궤도 거리의 영향을 평가하기 위해.
• 3D 시뮬레이션 출력물에서 합성된 ALMA 이미지를 위해 복사전달을 적용하여 실제 관측을 모의하기 위해.
• 전체 3D 시뮬레이션과 2D ALMA 모의 이미지에서 표준 투명성 높은 공식을 사용하여 원반 질량을 유도하기 위해.
• 관측된 ALMA 갈림새 너비와 행성 질량 사이의 경험적 관계를 피팅하며, 빔 크기 및 원반 파ameters를 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임베디드된 행성이 3D 원행성원반의 먼지 수직 구조와 밀도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 행성이 유도하는 먼지의 수직 혼란이 ALMA 관측에서 추정된 먼지 원반 질량에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 ALMA 이미지에서의 갈림새 너비는 행성 질량과 어떻게 상관관계가 있으며, 이는 관측을 통해 행성 질량을 추정하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 원반의 난류성 및 온도는 먼지 연속체에서의 행성 갈림새의 형태와 관측 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 임베디드된 행성이 있는 원반에 표준 투명성 높은 먼지 질량 공식을 적용할 경우 얼마나 큰 편향이 발생하는가?

주요 결과

• 모든 행성(노플의 질량 제외)이 기체와 먼지 성분 양쪽 모두에서 원형 갈림새를 형성하며, 갈림새 너비와 깊이는 시간이 지남에 따라 변화한다.
• 먼지 갈림새 깊이는 처음에는 증가하다가 감소할 수 있으나, 기체 갈림새는 계속 깊어진다.
• 행성이 먼지의 수직 혼란을 유도하여, 행성이 없는 시스템보다 먼지 원반의 두께가 두꺼워지며, 수직 침강을 상쇄한다.
• ALMA 모의 이미지에서 유도된 먼지 원반 질량은 진정한 3D 질량보다 체계적으로 낮으며, 시스템에 따라 2배에서 10배까지 과소평가된다.
• 이 격차는 궤도 거리와 관계없이 저질량 행성이 있는 시스템에서 가장 두드러지며, 표준 질량 추정 방식에 일반적인 편향이 있음을 시사한다.
• 오비탈 반경, 원반 난류성 및 온도를 고려한 ALMA 갈림새 너비와 행성 질량 간의 경험적 관계를 수립하였으며, 향후 행성 질량 제약을 위한 활용이 가능하다.