[논문 리뷰] The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? III. Sedimentation driven coagulation inside the snow-line

Andras Zsom, Chris W. Ormel외 2명|Max Planck Institute for Plasma Physics|2011. 07. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 50인용 수 42

한 줄 요약

이 연구는 눈선 내 원형행성계 원반 내 수직 먼지沈降 및 응집을 실험 기반 충돌 물리학을 활용한 몬테카를로 모델을 사용해 조사한다. 연구 결과, 난류(α ≈ 10⁻²)가 미크론 크기의 입자를 원반 대기 중에 유지시키는 데 필수적임을 밝혀내며, 이는 SED에서 관측되는 10 μm 특징을 설명한다. 동시에 실제의 점착, 반발 및 파손 조건은 입자 성장을 밀리미터에서 센티미터 수준으로 제한하여 고난류 조건에서 효율적인 행 星초기 형성은 불가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate dust growth due to settling in a 1D vertical column of a protoplanetary disk. It is known from the observed 10 micron feature in disk SEDs, that small micron-sized grains are present at the disk atmosphere throughout the lifetime of the disk. We hope to explain such questions as what process can keep the disk atmospheres dusty for the lifetime of the disk and how does the particle properties change as a function of height above the midplane. We use a Monte Carlo code to follow the mass and porosity evolution of the particles in time. The used collision model is based on laboratory experiments performed on dust aggregates. As the experiments cannot cover all possible collision scenarios, the largest uncertainty of our model is the necessary extrapolations we had to perform. We simultaneously solve for the particle growth and motion. Particles can move vertically due to settling and turbulent mixing. We assume that the vertical profile of the gas density is fixed in time and only the solid component evolves. We find that the used collision model strongly influences the masses and sizes of the particles. The laboratory experiment based collision model greatly reduces the particle sizes compared to models that assume sticking at all collision velocities. We find that a turbulence parameter of alpha = 10^-2 is needed to keep the dust atmospheres dusty, but such strong turbulence can produce only small particles at the midplane which is not favorable for planetesimal formation models. We also see that the particles are larger at the midplane and smaller at the upper layers of the disk. At 3-4 pressure scale heights micron-sized particles are produced. These particle sizes are needed to explain the 10 micron feature of disk SEDs. Turbulence may therefore help to keep small dust particles in the disk atmosphere.

연구 동기 및 목표

• 실제 물리 조건 하에서 원형행성계 원반 내 먼지 입자가 어떻게 성장하고 수직으로 침강하는지 이해하는 것.
• 중력 침강에도 불구하고 약 10⁶년 동안 미크론 크기의 먼지가 원반 대기 중에 유지되는 장기적인 수수께끼를 해결하는 것.
• 난류, 다공성, 충돌 물리학이 입자 크기 분포와 중앙면 성장에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 침강 기반 응집이 행성초기를 생성할 수 있는지 또는 페블과 돌기로 제한되는지 평가하는 것.
• 입자 특성(크기, 질량, 스토크스 수)을 관측 가능한 특징(예: SED의 10 μm 실리케이트 특징)과 연결하는 것.

제안 방법

• 고정된 기체 밀도 프로파일과 변화하는 고체 성분을 가진 1차원 수직 열린 원반 모델을 사용한다.
• 시간에 따라 변화하는 입자 성장, 다공성 변화 및 수직 운동(침강 및 난류 혼합)을 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 코드를 활용한다.
• 실험실에서의 먼지 응집체 충돌 실험 기반 충돌 모델을 도입하여 점착, 반발 및 파손 임계값을 포함한다.
• 실험 데이터(예: 반발 먼지 케이크의 약 6)에서 제약을 받는 동적 팽창 계수를 사용해 입자 다공성을 모델링한다.
• α 매개변수(10⁻⁶에서 10⁻²까지)를 변화시켜 난류 강도가 먼지 척도 높이와 입자 크기 분포에 미치는 영향을 평가한다.
• 중심면과 상층부에 중점을 두고 높이 및 시간에 따른 입자 질량, 크기, 스토크스 수 및 수직 분포를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 충돌 물리학과 난류 조건 하에서 원반 중심면과 대기 중에서 생성되는 입자 크기와 질량는 무엇인가?
• RQ2 난류(α)는 원반 내 먼지의 수직 분포와 대기 중에 존재하는 미크론 크기의 입자 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다공성과 드래그 법칙 전이(에프스타인에서 스토크스로)는 입자 성장과 강하에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 침강 기반 응집이 행성초기를 생성할 수 있는가, 아니면 페블과 돌기로 제한되는가?
• RQ5 먼지가 침강함에도 불구하고 원반 SED에서 지속적으로 10 μm 특징이 관측되는 이유는 무엇이며, 어떤 물리적 조건이 상층부에 미크론 크기의 입자를 유지시키는가?

주요 결과

• 관측 결과와 일치하는 10 μm 실리케이트 특징을 유지하기 위해 α ≈ 10⁻² 수준의 난류가 필요하며, 이는 약 10⁶년 동안 먼지 대기를 유지하는 데 기여한다.
• 3–4개의 압력 척도 높이에서 입자 크기가 약 1 미크론에 도달하여, 10 μm SED 특징을 설명하는 데 필요한 입자 크기와 일치한다.
• 반발 및 파손을 고려한 실제 충돌 모델은 α = 10⁻⁴일 때 최대 입자 질량을 10⁻² g(1 mm 반지름)로 제한하지만, α = 10⁻²일 경우 질량을 10⁻⁷ g(100 μm)로 감소시킨다.
• 먼지 척도 높이는 α = 10⁻⁴일 때 0.2 Hg에서 α = 10⁻²일 때 약 1 Hg로 증가하여, 더 강한 혼합이 중심면 축적을 방지함을 나타낸다.
• 입자 크기는 높이에 따라 감소한다: 중심면에서는 약 100 μm, 4개의 압력 척도 높이에서는 약 1–3 μm로, 상층부에 작은 입자가 존재하는 이유를 설명한다.
• 성장 중 최대 다공성 팽창 계수는 최대 10⁴에 도달하지만, 모델의 가장 큰 불확실성은 실험 데이터를 초과해 다공성 변화를 외삽할 때 발생한다.