[논문 리뷰] Planet formation around binary stars: Tatooine made easy

Benjamin C. Bromley, Scott J. Kenyon|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 12.

Astro and Planetary Science인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이중성 항성 주위에서 원형에 가까운 안정적인 궤도에 정착함으로써 원형 궤도를 가진 행성계가 형성될 수 있다고 제안한다. 이러한 궤도는 분석적 섭동 이론에서 유도되며, 파괴적인 충돌을 피할 수 있도록 해주며, 기체와 행 星자갈이 동적으로 냉각되고, 고정된 진동수를 갖지 않아서, 행성자갈의 성장이 가능하게 한다. 이는 '타투인' 유사 행성의 형성 문제를 오랫동안 해결하지 못했던 문제를 해결하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We examine characteristics of circumbinary orbits in the context of current planet formation scenarios. Analytical perturbation theory predicts the existence of nested circumbinary orbits that are generalizations of circular paths around a single star. These orbits have forced eccentric motion aligned with the binary as well as higher frequency oscillations, yet they do not cross, even in the presence of massive disks and perturbations from large planets. For this reason, dissipative gas and planetesimals can settle onto these "most circular" orbits, facilitating the growth of protoplanets. Outside a region close to the binary where orbits are generally unstable, circumbinary planets form in much the same way as their cousins around a single star. Here, we review the theory and confirm its predictions with a suite of representative simulations. We then consider the circumbinary planets discovered with NASA's Kepler satellite. These Neptune- and Jupiter-size planets, or their planetesimal precursors, may have migrated inward to reach their observed orbits, since their current positions are outside of unstable zones caused by overlapping resonances. In situ formation without migration seems less likely, only because the surface density of the protoplanetary disks must be implausibly high. Otherwise, the circumbinary environment is friendly to planet formation, and we expect that many Earth-like "Tatooines" will join the growing census of circumbinary planets.

연구 동기 및 목표

• 이중성 시스템의 역동적으로 불안정한 환경에서 행성이 어떻게 형성되는지 오랫동안 해결되지 않은 문제를 해결하기 위해.
• 이중성 항성 주위에 안정적이고 낮은 이심률 궤도가 존재하는지 조사하여, 부드러운 행성자갈 충돌과 성장을 가능하게 하는지 확인하기 위해.
• 기존의 가정과는 반대로 대규모 이동이 필요하지 않은 경우에도 현지에서의 행성 형성이 가능할지 테스트하기 위해.
• 이론적 예측을 키퍼 위성에서 관측된 이중성 항성 주위의 행성들과 비교하여, 현지에서의 형성 모델의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Lee & Peale(2006), Leung & Lee(2013)의 분석적 섭동 이론을 적용하여, 최소한의 반경 방향 진동을 보이며 서로 겹치지 않는 중첩된 안정적 이중성 궤도의 집합을 유도하기 위해.
• 이 '가장 원형에 가까운' 궤도에서 기체와 행성자갈의 역학을 모델링하여, 자유 이심률이 없어 위상 고정 충돌을 피할 수 있도록 하기 위해.
• 수치 시뮬레이션을 통해 이러한 궤도가 질량이 큰 디스크와 행성에 의한 섭동에도 불구하고 교차하지 않고 안정성을 유지하는지 확인하기 위해.
• 특히 키퍼-16b 및 유사한 행성들에 대해, 디스크에 의한 이동과 중력 산란이 관측된 궤도에 도달하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 현지에서의 형성을 뒷받침할 수 있는 초기 원형성 디스크의 표면 밀도가 얼마여야 하는지 평가하고, 이를 최소 태양계 원형성 원반(MMSN)과 비교하기 위해.
• 이중성 항성 주위의 행성의 궤도 특성(이심률, 기울기)을 단일 항성 주위의 행성들과 비교하여, 모델의 일관성을 시험하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중성 항성 주위에 자유 이심률이 없고, 행성자갈 간의 파괴적 충돌을 방지할 수 있는 안정적이고 낮은 이심률 궤도가 존재할 수 있는가?
• RQ2 섭동 이론에서 유도된 '가장 원형에 가까운' 궤도가 이중성 원반에서 효율적인 현지에서의 행성자갈 성장을 가능하게 하는가?
• RQ3 현실적인 디스크 표면 밀도를 고려할 때, 대규모 이동이 필요 없이도 이중성 주위에서의 현지 형성이 가능할 수 있는가?
• RQ4 관측된 키퍼 이중성 항성 주위의 행성 궤도 특성은 가장 원형에 가까운 궤도 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기체의 감쇠 작용이 이중성 시스템에서 행성자갈이 교차하지 않는 안정된 궤도에 정착하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 단일 항성 주위의 원형 궤도의 일반화로서, 최소한의 반경 방향 진동과 교차가 없는 중첩된 안정적 이중성 궤도가 존재한다.
• 이 궤도는 자유 이심률이 없어 이전 모델에서 발생하는 파괴적인 혼란을 유발하는 위상 고정 충돌을 방지한다.
• 기체와 행성자갈은 동적으로 냉각되어 이러한 가장 원형에 가까운 궤도에 정착할 수 있으며, 이를 통해 부드럽고 성장 촉진형 충돌이 가능하다.
• 행성자래가 이러한 안정된 궤도에 초기화되어 있다면, 높은 초기 표면 밀도가 필요로 하지 않기 때문에 이중성 시스템에서의 현지 행성 형성이 가능하다.
• 현지 형성을 뒷받침하기 위한 초기 디스크 표면 밀도는 비현실적으로 높아(10–20× MMSN) 이동이나 산란이 관측된 키퍼 행성들에 대해 더 타당성이 있다.
• 기체 디스크를 통한 이동은 불안정한 공명을 피하고, 행성이 눈선 이외에서 형성되어 현재 궤도에 도달할 수 있도록 해주며, 관측 결과와 일치한다.