[논문 리뷰] Gravitoviscous protoplanetary disks with a dust component. I. The importance of the inner sub-au region

Eduard I. Vorobyov, Aleksandr M. Skliarevskii외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 43인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 중력-viscous 원형행성계 원반의 해상도가 없는 내부 1 AU 이하 영역에서의 질량 이동을 시뮬레이션하기 위해 '중앙 스마트 셀'(CSC) 모델을 도입한다. 느린 질량 이동이 일어나는 경우 더 무거운, 더 뜨거운 원반, 유후 오리온이스형 폭발적 적층, 디세미터 크기까지의 먼지 성장, 그리고 T 타우리 단계에서 새로운 폭발적 붕괴 모드가 발생함을 발견하였으며, 이는 외계행성 다양성의 원인이 동시적인 스트리밍 불안정성과 중력 불안정성이 driving하는 것으로 제안된다.

ABSTRACT

The central region of a circumstellar disk is difficult to resolve in global numerical simulations of collapsing cloud cores, but its effect on the evolution of the entire disk can be significant. We use numerical hydrodynamics simulations to model the long-term evolution of self-gravitating and viscous circumstellar disks in the thin-disk limit. Simulations start from the gravitational collapse of prestellar cores of 0.5--1.0~$M_\odot$ and both gaseous and dusty subsystems were considered, including a model for dust growth. The inner unresolved 1.0 au of the disk is replaced with a central "smart" cell (CSC) -- a simplified model that simulates physical processes that may occur in this region. We found that the mass transport rate through the CSC has an appreciable effect on the evolution of the entire disk. Models with slow mass transport form more massive and warmer disks and they are more susceptible to gravitational instability and fragmentation, including a newly identified episodic mode of disk fragmentation in the T Tauri phase of disk evolution. Models with slow mass transport through the CSC feature episodic accretion and luminosity bursts in the early evolution, while models with fast transport are characterized by a steadily declining accretion rate with low-amplitude flickering. Dust grows to a larger, decimeter size in the slow transport models and efficiently drifts in the CSC, where it accumulates reaching the limit when streaming instability becomes operational. We argue that gravitational instability, together with streaming instability likely operating in the inner disk regions, constitute two concurrent planet-forming mechanisms, which may explain the observed diversity of exoplanetary orbits (Abridged).

연구 동기 및 목표

• 자기중력적이고 점성 있는 원형행성계 원반의 전반적 진화에 영향을 주는 해상도가 없는 내부 1.0 AU 영역의 물리적 특성에 영향을 미치는 방식을 조사하는 것.
• 표준 싱크 셀이 중요한 내부 원반 과정을 배제하는 수치 시뮬레이션의 한계를 해결하는 것.
• 내부 1.0 AU 영역에서 다양한 질량 이동 속도가 원반 구조, 적층 역사, 행성 형성 잠재력에 미치는 영향을 모델링하는 것.
• 다양한 적층 제도 하에서 내부 원반에서 먼지 성장과 스트리밍 불안정성의 역할을 탐구하는 것.
• 새로운 붕괴 모드를 식별하고 중력 불안정성과 스트리밍 불안정성 간의 상호작용이 행성 형성에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 해상도가 없는 내부 1.0 AU 영역을 대체하기 위해 중심 스마트 셀(CSC)을 사용하며, 1 AU 이하의 해상도가 필요 없이 질량 이동과 적층 폭발을 시뮬레이션한다.
• CSC 모델은 질량 이동 효율을 제어하는 조절 가능한 매개변수 ξ를 사용한다: ξ = 5% (느림)에서 ξ = 95% (빠름)까지로, 이는 다양한 내부 원반 점성 또는 사망 영역을 나타낸다.
• 장기적인 진화를 모델링하기 위해 수치 유체역학 시뮬레이션을 사용하며, 0.5–1.0 M☉의 전성운핵이 중력-점성 원반을 형성하고 기체 및 먼지 성분이 결합된 상태를 모의한다.
• 먼지 진화는 성장 모델로 모의하고, 먼지 이동은 CSC 내 축적과 스트리밍 불안정성이 작동할 가능성 평가를 위해 추적한다.
• 원반 자기중력을 포아송 적분 해법으로 계산하며, 자기력운동 불안정성(MRI)은 원반 전역에서 완전히 발달된 것으로 가정한다.
• 가스 및 먼지 밀도 전이의 물리적 일관성을 확보하기 위해 CSC-원반 인터페이스에 부드러운 유입-유출 경계 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 1 AU 영역에서 질량 이동 속도가 자기중력적 원형행성계 원반의 전반적 구조와 열적 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 느린 질량 이동과 빠른 질량 이동이 중심 원성운의 적층 역사와 복사 강도 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스마트 셀로 모의된 내부 원반 영역이 유후 오리온이스 폭발적 적층 폭발을 재현할 수 있는가?
• RQ4 CSC 내에서 먼지 성장과 이동이 먼지 표면 밀도와 스트리밍 불안정성이 작동할 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내부 원반에서 느린 질량 이동이 T 타우리 단계 동안 새로운 폭발적 원반 붕괴 모드를 유도하는가?

주요 결과

• 느린 질량 이동 모델(ξ = 5%)은 내부 영역에서 기체가 오랫동안 축적되므로, 빠른 이동 모델(ξ = 95%)보다 더 무거운, 더 뜨거운 원반을 형성한다.
• ξ = 5% 모델에서는 먼지 성장 한계가 디세미터 크기까지 도달하며, 더 빠른 이동 조건보다 훨씬 크다.
• 느린 이동 모델에서는 1–10 AU 영역의 먼지 대 기체 질량 비율이 표준 1:100 값보다 몇 배 이상 낮아지며, 이는 먼지 감소가 아니라 기체 축적 때문이므로 기인한다.
• ξ = 5% 모델에서는 MRI에 의해 유도된 불안정성이 CSC에서 폭발적 적층 분출을 유도하지만, ξ = 95% 모델은 낮은 진폭의 번쩍임만 보이며 점진적으로 감소하는 적층을 보인다.
• 느린 이동 모델에서는 T 타우리 단계에서 새로운 폭발적 원반 붕괴 모드가 식별되었으며, 붕괴된 물체의 질량은 2–30 M_Jup 사이이며, 피크는 4–6 M_Jup에 집중되어 있다.
• 먼지가 CSC에서 가장 강하게 축적되며, 고밀도 표면 밀도와 고스토크 수를 달성하여, 느린 이동 조건 하에서 스트리밍 불안정성이 내부 원반에서 실제로 작동할 가능성이 높다는 것을 시사한다.