[논문 리뷰] Modelling circumbinary protoplanetary disks II. Gas disk feedback on planetesimal dynamical and collisional evolution in the circumbinary systems Kepler-16 and 34

Stefan Lines, Z. M. Leinhardt외 3명|Bristol Research (University of Bristol)|2016. 04. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 케플러-16과 케플러-34의 원형이중행성 원행성원반에서 3차원 N체 시뮬레이션과 유체역학적 가스원반 모델을 결합하여 행 星형질체 성장을 조사한다. 비대칭이고 진동하는 가스원반이 고이심도와 기울어진 궤도를 유도하며, 이는 침식성 충돌을 유발하고 현지에서의 행 星형질체 집적이 불가능하게 만든다. 결과적으로 케플러-16b와 케플러-34b의 현지 형성 가능성을 배제하고, 더 큰 거리에서 형성된 후 내측으로 이동한 결과를 지지한다.

ABSTRACT

Aims. We investigate the feasibility of planetesimal growth in circumbinary protoplanetary disks around the observed systems Kepler- 16 and Kepler-34 under the gravitational influence of a precessing eccentric gas disk. Methods. We embed the results of our previous hydrodynamical simulations of protoplanetary disks around binaries into an N-body code to perform 3D, high-resolution, inter-particle gravity-enabled simulations of planetesimal growth and dynamics that include the gravitational force imparted by the gas. Results. Including the full, precessing asymmetric gas disk generates high eccentricity orbits for planetesimals orbiting at the edge of the circumbinary cavity, where the gas surface density and eccentricity have their largest values. The gas disk is able to efficiently align planetesimal pericenters in some regions leading to phased, non-interacting orbits. Outside of these areas eccentric planetesimal orbits become misaligned and overlap leading to crossing orbits and high relative velocities during planetesimal collisions. This can lead to an increase in the number of erosive collisions that far outweighs the number of collisions that result in growth. Gravitational focusing from the static axisymmetric gas disk is weak and does not significantly alter collision outcomes from the gas free case. Conclusions. Due to asymmetries in the gas disk, planetesimals are strongly perturbed onto highly eccentric orbits. Where planetesimals orbits are not well aligned, orbit crossings lead to an increase in the number of erosive collisions. This makes it difficult for sustained planetesimal accretion to occur at the location of Kepler-16b and Kepler-34b and we therefore rule out in-situ growth. This adds further support to our initial suggestions that most circumbinary planets should form further out in the disk and migrate inwards.

연구 동기 및 목표

• 실제 가스원반 조건 하에서 케플러-16과 케플러-34의 원형이중행성 원반에서의 현지 행 星형질체 집적 가능성 평가
• 기울어진, 비대칭인 가스원반의 중력 피드백이 행 星형질체 궤도 역학과 충돌 결과에 미치는 영향 탐구
• 가스원반의 비대칭성과 중력력이 지속적인 행 星형질체 성장을 가능하게 할지 또는 저해할지 판단
• 자기중력, 가스 저항력, 원반 구조가 적대적인 이중성 환경에서의 행 星형질체 진화에 미치는 역할 평가

제안 방법

• 2차원 유체역학적 결과(논문 I의 FARGO-ADSG)와 3차원 고해상도 N체 시뮬레이션을 융합한 하이브리드 시뮬레이션
• 시간에 따라 변화하는 비대칭 가스원반 중력포텐셜을 N체 프레임워크에 통합하여 기울어진, 비대칭인 원반 힘 모델링
• EDACM 충돌 모델을 사용하여 행 星형질체 충돌 결과를 집적과 침식으로 구분
• 행 星형질체 간 자기중력을 포함하여 이의 궤도 이심도 변화와 고리 형성에 미치는 영향 평가
• 분석적 수식을 통한 축대칭 가스 저항력 구현하여 중력과의 상대적 영향 평가
• 12개 시뮬레이션(A-L)을 통해 원반 파rameter(대칭 대 비대칭, 단일 피크 대 혼합 크기 분포)의 체계적 변동

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭이고 기울어진 가스원반이 작용하는 케플러-16의 원형이중행성 원반에서 행 星형질체가 현지에서 성장할 수 있는가?
• RQ2 비축대칭 가스원반의 중력포텐셜이 행 星형질체의 궤도 이심도와 궤도 정렬에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기울어진 궤도로 인한 궤도 교차와 고속 충돌이 집적보다 침식 결과를 초래하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 가스원반의 중력 집중 효과가 가스가 없는 경우와 비교해 행 星형질체 성장을 증가시키는가, 아니면 억제하는가?
• RQ5 비대칭 가스력이 존재하는 환경에서 행 星형질체 간 자기중력은 궤도 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비대칭이고 기울어진 가스원반이 고리 테두리에서 가스 표면 밀도와 이심도가 최고조에 도달하는 지점에서 행 星형질체의 고이심도 궤도를 유도한다.
• 가스 비대칭성이 높은 영역에서는 행 星형질체의 근점이 정렬되어 단계적이고 상호작용이 없는 궤도를 형성하며 충돌 빈도를 감소시킨다.
• 정렬 영역 외부에서는 궤도 기울어짐으로 인해 상당한 궤도 교차와 높은 상대속도가 발생하여 침식성 충돌의 수가 집적성 충돌보다 훨씬 많아진다.
• 정적이고 축대칭인 가스원반의 중력 집중 효과는 약하며, 가스가 없는 경우와 비교해 충돌 결과에 큰 영향을 주지 않는다.
• 행 星형질체 간 자기중력은 특히 축대칭 가스원반 조건에서 형성된 고밀도 고리의 이심도 분포를 형성하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 크기가 큰 초기 행 星형질체(R > 100 km)일지라도 비대칭 가스원반은 케플러-16b와 케플러-34b 궤도 반경에서 지속적인 집적을 방지하는 적대적인 환경을 조성한다.