[논문 리뷰] Low-Mass Star Formation: Initial Conditions, Disk Instabilities, and the Brown Dwarf Desert

Christopher D. Matzner, Y. Levin|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 선성운핵의 초기 조건과 저질량 항성 형성 기간 동안의 디스크 불안정성 간의 이론적 프레임워크를 수립하며, 항성 조사가 원형질 디스크의 자기중력 불안정성을 억제함으로써 조기 분열이 일어난 후 조각들이 융합되는 것을 보여주고 있다. 이는 관측된 병행성 저질량 연성행성의 부족, 즉 '갈색왜성 빈곤지역'을 설명한다.

ABSTRACT

We develop a simple theory to predict the initial conditions for low-mass star formation and relate these to instabilities of protostellar accretion disks that may produce stellar or substellar companions. We first account for the effects of a turbulent velocity field on the cores that form stars. Revised scales for mass, radius, turbulent velocity, and angular momentum are derived from the gas temperature of the prestellar core and the column density of the parent cloud. The full distribution angular momentum around its characteristic scale is derived from an idealized but reasonable set of assumptions. Second, we examine the criterion for fragmentation to occur during star formation, concentrating on the self-gravitational instabilities of protostellar accretion disks in their main accretion phase. Disk instability can develop from rotating initial conditions even if they are axisymmetric; therefore it provides a conservative bound for the criterion of fragmentation. Self-gravitational instabilities are strongly dependent on the thermal state of the disk, and we find that stellar irradiation quenches fragmentation due to Toomre's local instability. An early phase of fragmentation is nevertheless likely, but fragments born in this phase are in close proximity and are likely to merge later due to disk accretion. Global instability of the disk may be required to process mass supply, but this is unlikely to produce fragments. These conclusions help to explain the dearth of substellar companions to stellar type stars -- the brown dwarf desert.

연구 동기 및 목표

• 선성운핵의 특성으로부터 저질량 항성 형성의 초기 조건을 이해하기 위해.
• 주적축적단계 동안의 디스크 불안정성이 별 또는 저질량 연성행성의 형성에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 태양형 항성 주위에서 저질량 연성행성이 흔하지 않은 이유를 규명하고, '갈색왜성 빈곤지역'을 설명하기 위해.
• turbulent 운동, 운동량, 열 상태가 원형질 디스크에서 분열을 유도하는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 가스 온도와 구름의 면밀도를 사용하여 선성운핵에서 질량, 반경, 난류 속도, 운동량의 재정의된 척도를 유도한다.
• 이dealized이지만 물리적으로 타당한 가정을 사용하여 특징적인 척도에서 운동량 분포를 모델링한다.
• Toomre의 국소 중력 불안정성 기준을 적용하여 원형질 디스크에서의 분열 잠재력을 평가한다.
• 열적 안정화를 통한 별 조사가 디스크 분열을 억제하는 영향을 평가한다.
• 전역적 디스크 불안정성이 질량 공급과 조각 생성 간의 역할을 분석한다.
• 축대칭 초기 조건을 고려하여 디스크 불안정성 발생에 대한 보수적인 하한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선성운핵 내 난류 속도장은 저질량 항성 형성의 초기 조건에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 주적축단계 동안 원형질 디스크에서 자기중력 불안정성이 유도되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 별 조사가 열적 안정화를 통해 얼마나 강하게 디스크 분열을 억제하는가?
• RQ4 왜 저질량 항성 주위에서 가까운 저질량 연성행성이 흔치 않은가? 디스크 불안정성과는 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 전역적 디스크 불안정성은 장수하는 조각을 생성할 수 있는가, 아니면 주로 질량 공급을 촉진하는가?

주요 결과

• 선성운핵 내 난류 속도장은 가스 온도와 구름의 면밀도를 바탕으로 질량, 반경, 운동량의 재정의된 추정치를 이끌어낸다.
• 축대칭적이고 회전하는 초기 조건에서도 디스크 불안정성이 발생할 수 있으며, 이는 분열에 대한 보수적인 하한을 제공한다.
• 별 조사는 Toomre 유형의 국소 불안정성에 대한 디스크 안정성을 높여 분열을 강력히 억제한다.
• 초기 분열은 일어날 가능성이 높지만, 조각들이 서로 가까이 위치해 있고 디스크의 질량 유입으로 인해 융합되기 쉬운 경향이 있다.
• 전역적 디스크 불안정성은 질량 공급을 조절할 수 있지만 장수하는 조각을 생성하기는 어렵다.
• 이 메커니즘들은 관측된 저질량 연성행성의 부족을 종합적으로 설명한다. 이는 일반적으로 '갈색왜성 빈곤지역'으로 알려져 있다.