[논문 리뷰] Suppression of giant planet formation in stellar clusters

Philip J. Armitage|arXiv (Cornell University)|2000. 07. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 항성군집 내 대질량 항성에서 발생하는 광이온화가 원반 수명을 극적으로 단축시켜 거성 형성의 억제 작용을 한다는 점을 조사한다. 외부 자외선 복사에 따른 원반 진화 모델을 사용하여, 오리온과 같은 풍부한 군집에서는 핵 축적을 통한 거성 형성이 가능할 수 있는 조건이 충족되지 않는 한, 또는 급속한 유체역학적 붕괴가 발생하거나 저질량과 고질량 항성 형성 간에 상당한 지연이 있을 경우를 제외하고는 거성 형성이 어려울 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Photoevaporation driven by the ultraviolet radiation from massive stars severely limits the lifetime of protoplanetary discs around stars formed within stellar clusters. I investigate the resulting influence of clustered environments on the probability of giant planet formation, and show that for clusters as rich, or richer than, Orion, the time available for planet formation is likely to be limited to the length of any delay between low mass and high mass star formation. Under popular models for the formation of massive planets, the fraction of stars with giant planets in rich clusters is expected to be substantially suppressed as compared to less clustered star formation environments.

연구 동기 및 목표

• 군집 항성 형성 환경이 거성 형성에 소요되는 시간 척도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 군집 내 대질량 항성에서 발생하는 외부 자외선 복사가 원행성 원반 수명에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 47 투카나에 같은 밀도 높은 군집에서 관측된 거성의 희소성은 원반 광이온화로 설명될 수 있는가 평가하기 위해.
• 어떤 조건에서 이러한 치명적인 환경에서도 거성 형성이 여전히 일어날 수 있는지 규명하기 위해.
• 특히 거성 형성 시간 척도와 관련하여 고립된 시스템과 풍부한 항성 군집 내 원반 수명을 비교하기 위해.

제안 방법

• 스텔라르 진화 모델(Schaller et al. 1992)과 대기 모델(Kurucz)을 사용하여 군집 내 대질량 항성에서 발생하는 자외선 복사장 모델링하기.
• 이온화 복사량과 그에 따른 원반 가열 및 광이온화에 의한 질량 손실 효과 계산하기, 특히 EUV 유도 유동에 중점을 두기.
• 가열로 인해 기체가 탈구되는 중력 반경 Rg를 계산하기, 공식 Rg ≈ 0.5GM*/c_s^2 를 사용하여.
• 다양한 풍부도를 가진 군집에서 외부 자외선 복사의 강도와 지속 시간에 따라 원반 생존 시간 평가하기.
• 핵 축적을 통한 거성 형성에 필요한 이론적 시간 척도(Pollack et al. 1996 등)와 군집 내 원반 수명 비교하기.
• 직접 유체역학적 붕괴(Boss 1998) 및 고질량 항성 형성의 지연과 같은 대체 형성 경로가 생존 기회를 제공하는지 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 군집 내 대질량 항성이 원행성 원반의 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 핵 축적을 통한 거성 형성에 필요한 최소한의 원반 수명은 얼마이며, 이는 군집 환경에서 달성 가능한가?
• RQ3 외부 자외선 원천에서 발생하는 광이온화가 47 투카나에와 같은 밀도 높은 군집에서 관측된 거성 빈도 부족을 설명할 수 있는가?
• RQ4 저질량 항성 형성과 고질량 항성 형성 간의 지연 또는 급속한 유체역학적 붕괴와 같은 조건에서 군집 내 거성 형성이 여전히 가능할 수 있는가?
• RQ5 군집의 풍부도(항성 수)는 원반 파괴를 통해 행성 형성 억제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 오리온과 같은 풍부한 군집에서는 대질량 항성에서 발생하는 광이온화로 인해 원반 수명이 극적으로 단축되어 거성 형성에 이용 가능한 시간이 제한된다.
• 약 10^5개의 항성이 있는 군집에서는 거리에 따라 원반 수명이 수백만 년 이하로 줄어들 가능성이 높다.
• 핵 축적을 통한 거성 형성의 경우 약 10^6년 수준의 원반 수명은 부족할 수 있으며, 약 10^5년 수준의 수명은 거의 확실히 그러한 형성을 불가능하게 한다.
• 거성 형성 억제 효과는 풍부한 군집에서 가장 강력하며, 군집 중심으로부터 몇 파세크 이내까지 영향을 미칠 것으로 예상된다.
• 저질량 항성과 고질량 항성 형성 간에 상당한 지연(예: >10^6년)이 있을 경우, 원반 파괴가 시작되기 이전에 행성 형성이 일어날 수 있다.
• 직접 유체역학적 붕괴와 같은 대체 형성 메커니즘은 짧은 수명의 원반에서도 거성 형성을 가능하게 하여, 밀도 높은 군집에서 희귀하게 관측되는 행성의 존재에 대한 가능한 설명을 제공한다.