[논문 리뷰] Spiral-driven accretion in protoplanetary discs - III tri-dimensional simulations

P. Hennebelle, Geoffroy Lesur외 1명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 11. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 32인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 RAMSES 코드를 사용한 3차원 유체역학적 시뮬레이션을 통해 둘레의 분자구름으로부터의 외부 질량 축적 현상이 원형행성계 디스크의 구조와 운동량 수송에 미치는 영향을 조사한다. 중간 정도의 축적률(≈3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹)에서 강력한 나선형 구조가 형성되며, 내부 디스크에서는 α- viscosity 계수 최대 5×10⁻³에 이를 수 있으며, 축적된 질량의 최소 50%가 내부 디스크로 도달함을 확인하였다. 이는 외부 유입이 전이형 디스크에서 관측된 나선형 패턴을 설명할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Understanding how accretion proceeds in proto-planetary discs and more generally their dynamics is a crucial issue for explaining the conditions in which planets form. The role that accretion of gas from the surrounding molecular cloud onto the disc may have on its structure needs to be quantified. We perform tri-dimensional simulations using the Cartesian AMR code RAMSES of an accretion disc subject to infalling material. For the aspect ratio of $H/R \simeq 0.15$ and disk mass $M_d \simeq 10^{-2}$ M$_\odot$ used in our study, we find that for typical accretion rates on the order of a few 10$^{-7}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$, values of the $α$ parameter as high as a few 10$^{-3}$ are inferred. The mass that is accreted in the inner part of the disc is typically at least $50\%$ of the total mass that has been accreted onto the disc. Our results suggest that external accretion of gas at moderate values, onto circumstellar discs may trigger prominent spiral arms, reminiscent of recent observations made with various instruments, and lead to significant transport through the disc. If confirmed from observational studies, such accretion may therefore influence disc evolution.

연구 동기 및 목표

• 외부 기체 축적이 원형행성계 디스크의 구조와 운동량 수송에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 모체 분자구름으로부터의 유입이 저질량 디스크에서 중요한 질량 축적과 나선형 구조 형성에 기여할 수 있는지 조사하는 것.
• 2차원 모델 대비 3차원 역학이 운동량 수송을 얼마나 향상시키는지 규명하는 것.
• 유입 기체의 기하학적 형태와 운동량이 디스크 진화와 나선형 패턴 형성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 최근 전이형 디스크에서 관측된 나선형 패턴이 행성에 의해 유도된 것이 아니라 축적에 의해 유도될 수 있는지 시뮬레이션 결과와 비교하여 평가하는 것.

제안 방법

• 카르테시안 적응 메쉬 리피니멘트(AMR) 코드인 RAMSES를 사용한 3차원 유체역학적 시뮬레이션을 수행한다.
• Md ≈ 10⁻² M⊙의 질량과 H/R ≈ 0.15의 비율을 가지는 원형행성계 디스크를 모델링하며, ≈10⁻⁷에서 4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹의 외부 축적률을 적용한다.
• 자기장과 자중력을 무시하여 외부 유입이 디스크 역학에 미치는 유체역학적 영향을 고립적으로 분석한다.
• 충격과 나선형 구조를 해상도 있게 분석하기 위해 3차원 카르테시안 격자와 적응 메쉬 리피니멘트를 사용한다.
• 디스크 내 응력과 압력에서 α- viscosity 계수를 계산하며, 2차원 평균값과 3차원 기여도를 구분한다.
• 축적 기하학적 형태와 운동량을 변화시켜 나선형 구조 형성과 수송 효율성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 정도의 축적률에서 외부 축적이 원형행성계 디스크에서 다른 메커니즘에 의해 유도되는 것과 유사하거나 이를 초월하는 α- viscosity 계수를 생성할 수 있는가?
• RQ2 디스크 평면 위아래에서의 3차원 축적이 2차원 평면 유입에 비해 운동량 수송을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 실제로 얼마나 많은 질량이 내부 디스크로 도달하며, 그 중 얼마나 많은 비율이 내부로 수송되는가?
• RQ4 유입 기체의 운동량이 디스크 내 나선형 구조 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 전이형 디스크에서 관측된 나선형 패턴이 행성에 의해 유도된 것이 아니라 외부 축적에 의해 유도될 수 있는가?

주요 결과

• 축적률이 ≈3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹일 경우, 내부 디스크(r ≈ 0.05–0.1 R_d)에서 α- viscosity 계수는 최대 5×10⁻³에 이를 정도로 상당히 높아지며, 고립된 디스크보다 뚜렷하게 높다.
• 디스크 외곽에서는 α 값이 최대 10⁻¹에 이를 수 있어, 큰 반경에서 강력한 수송이 일어나고 있음을 시사한다.
• 총 축적 질량의 약 50%가 내부 디스크(r < 0.5 R_d)로 수송되며, 디스크 경계의 정의가 명확하지 않음에도 불구하고 이와 유사한 비율을 보인다.
• 내부 디스크에서 응력의 3차원 성분(α_z)은 2차원 평균 성분(α_2D)과 크기적으로 유사하므로, 수직 방향 역학이 수송을 상당히 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 나선형 구조는 주로 유입 기체의 운동학적 특성에 의해 주도되며, 충격 진입 전에 스트림라인이 반경 방향과 약 ~45°에서 60° 정도의 각도를 이룹니다.
• 낮은 운동량을 가진 유입 기체는 더 두드러지고 오래 지속되는 나선형 패턴을 형성하므로, 이러한 유입 흐름이 관측된 전이형 디스크의 나선형 패턴을 모방하거나 설명할 수 있음을 시사한다.