[논문 리뷰] On the formation of planetary systems in photoevaporating transition discs

Caroline Terquem|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 X선에 의해 유도된 갭 형성이 약 2 AU에서 발생하는 광화학적 증발이 일어나는 전이 디스크에서 행성계 형성에 대해 다룬다. 0.1 M⊕ 및 1 M⊕ 핵이 디스크 내에서 이동하는 것을 분석한 결과, 저질량 핵은 0.5–4 AU 범위에서 공진이 없는 지구질량 행성을 형성하는 반면, 고질량 핵은 갭을 초월해 남아 있어 우리 태양계와 유사한 시스템을 형성할 수 있다. 저미리미터 밀도의 디스크는 핫 수퍼지구가 아닌 희생권 내 지구질량 행성을 포함할 가능성이 높다.

ABSTRACT

In protoplanetary discs, planetary cores must be at least 0.1 earth mass at 1 au for migration to be significant; this mass rises to 1 earth mass at 5 au. Planet formation models indicate that these cores form on million year timescales. We report here a study of the evolution of 0.1 earth mass and 1 earth mass cores, migrating from about 2 and 5 au respectively, in million year old photoevaporating discs. In such a disc, a gap opens up at around 2 au after a few million years. The inner region subsequently accrete onto the star on a smaller timescale. We find that, typically, the smallest cores form systems of non-resonant planets beyond 0.5 au with masses up to about 1.5 earth mass. In low mass discs, the same cores may evolve in situ. More massive cores form systems of a few earth masses planets. They migrate within the inner edge of the disc gap only in the most massive discs. Delivery of material to the inner parts of the disc ceases with opening of the gap. Interestingly, when the heavy cores do not migrate significantly, the type of systems that are produced resembles our solar system. This study suggests that low mm flux transition discs may not form systems of planets on short orbits but may instead harbour earth mass planets in the habitable zone.

연구 동기 및 목표

• 저미리미터 밀도 전이 디스크에서 X선에 의한 광화학적 증발이 일어나는 상황에서 행성계 형성 과정을 이해하기 위해.
• 진화하는 디스크에서 갭 형성이 일어나는 조건에서 0.1 M⊕ 및 1 M⊕ 핵의 이동 및 최종 구조를 조사하기 위해.
• 이러한 디스크가 우리 태양계와 유사한 시스템을 형성할 수 있는지, 아니면 조밀하게 배열된 핫 수퍼지구를 형성할 수 있는지를 판단하기 위해.
• 디스크 질량과 광화학적 증발이 행성계 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 저미리미터 밀도 전이 디스크에서 희생권 내 지구질량 행성이 존재할 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• X선에 의해 유도된 갭 형성이 약 2 AU에서 발생하는 광화학적 증발이 일어나는 디스크에서의 행성 핵 이동을 수치 시뮬레이션으로 모의한 바.
• 초기 조건으로 1–5 AU에서 0.1 M⊕ 핵과 5 AU 초과에서 1 M⊕ 핵을 설정하였으며, 이는 약 1 Myr 후에 형성된 것으로 가정하였다.
• 디스크 진화는 점성적 유입과 광화학적 증발을 포함하며, 표면 밀도는 시간이 지남에 따라 감소한다.
• 핵 이동은 타입-I 이동 모델을 사용하였으며, 약 3 Myr 후에 갭 형성이 내부로의 물질 유입을 차단한다.
• 시뮬레이션은 핵 간 상호작용, 충돌, 디스크 소멸 후 최종 궤도 구조를 추적한다.
• 결과는 특히 킬러즈 유사 핫 수퍼지구와 태양계와의 관측된 시스템과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저미리미터 밀도 전이 디스크에서 0.1 M⊕ 핵이 0.5 AU 이상에서 공진이 없는 행성계를 형성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 디스크 조건에서 1 M⊕ 핵이 내부 디스크로 이동하거나 갭을 초월해 남아 있을 수 있는가?
• RQ3 저미리미터 밀도 전이 디스크는 높은 핵 형성 비율에도 불구하고 왜 핫 수퍼지구를 형성하지 못하는가?
• RQ4 광화학적 증발이 일어나는 디스크에서 우리 태양계의 구조를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 저미리미터 밀도 전이 디스크는 희생권 내 지구질량 행성을 포함할 수 있는가?

주요 결과

• 0.1 M⊕ 핵은 일반적으로 0.5–4 AU 범위에서 공진이 없는 행성들을 형성하며, 질량은 최대 1.5 M⊕까지 도달한다. 내부로의 이동은 거의 관찰되지 않는다.
• 저질량 디스크에서는 이러한 핵이 내재적으로 진화할 가능성이 있으며, 내부로의 이동이 일어나지 않을 수 있다.
• 1 M⊕ 핵은 몇 개의 지구질량 행성계를 형성하지만, 가장 질량이 큰 디스크에서만 내부 디스크로 이동한다.
• 고질량 핵이 상당한 이동을 하지 않는 경우, 형성되는 시스템은 질량 분포와 구조 면에서 태양계와 유사하다.
• 저미리미터 밀도 전이 디스크에서는 갭 형성 후 물질 공급이 멈추므로, 갭 형성 이전에 거대행성이 형성될 가능성이 낮다.
• 이러한 디스크는 희생권 내 지구질량 행성을 포함할 것으로 예측되며, 이러한 시스템에서 단기 주기의 행성이 관측되지 않는 것과 일치한다.