[論文レビュー] 3D-radiation hydro simulations of disk-planet interactions: I. Numerical algorithm and test cases

Hubert Klahr, W. Kley|ArXiv.org|Oct 13, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 29被引用数 64

ひとこと要約

本研究では、完全な熱力学的取り扱いを伴うプロト惑星-惑星環相互作用をシミュレートする3次元放射熱流体力学コード（TRAMP）を提示する。放射エネルギー輸送の適切な取り扱いにより、H/R ≈ 0.5 に相当する厚い圧力支持型周惑星エンベロープが形成され、ケプラーダイナミクスの薄いディスクとは異なる構造を示す。主な結果として、この構造は固体の急速な内向き漂流を引き起こし、周惑星物質からの衛星形成を抑制する一方、等温モデルと比較してトルクのフラクチュエーションが増加することを示している。

ABSTRACT

We study the evolution of an embedded protoplanet in a circumstellar disk using the 3D-Radiation Hydro code TRAMP, and treat the thermodynamics of the gas properly in three dimensions. The primary interest of this work lies in the demonstration and testing of the numerical method. We show how far numerical parameters can influence the simulations of gap opening. We study a standard reference model under various numerical approximations. Then we compare the commonly used locally isothermal approximation to the radiation hydro simulation using an equation for the internal energy. Models with different treatments of the mass accretion process are compared. Often mass accumulates in the Roche lobe of the planet creating a hydrostatic atmosphere around the planet. The gravitational torques induced by the spiral pattern of the disk onto the planet are not strongly affected in the average magnitude, but the short time scale fluctuations are stronger in the radiation hydro models. An interesting result of this work lies in the analysis of the temperature structure around the planet. The most striking effect of treating the thermodynamics properly is the formation of a hot pressure--supported bubble around the planet with a pressure scale height of H/R ~ 0.5 rather than a thin Keplerian circumplanetary accretion disk. We also observe an outflow of gas above and below the planet during the gap opening phase.

研究の動機と目的

• 完全な熱力学的取り扱いを伴う3次元放射熱流体力学コード（TRAMP）の開発と検証を行い、プロト惑星-惑星環相互作用をシミュレートすること。
• 放射輸送、数値的分解能、質量降着モデルの取り扱いが、ギャップ形成および惑星移動に与える影響を評価すること。
• 原始惑星環内の木星質量の惑星の周囲における3次元的な温度および密度構造を調査すること。
• 現実的な熱力学的取り扱いが、周惑星降着および衛星形成に与える影響を評価すること。
• 一般的に用いられる局所等温近似と比較して、放射熱流体力学を評価すること。

提案手法

• TRAMPコードは、放射輸送にフラックス制限型拡散近似を用いた3次元流体力学方程式を解く。
• 状態方程式には熱エネルギーと内部エネルギーの時間発展を含め、降着光度に起因する加熱を適切に取り扱えるようにしている。
• 固定された木星質量の惑星を5 AUで配置した3次元ディスクを用い、惑星周囲にネストドグリッドの細分化を施した。
• 変動する質量降着率をモデル化し、惑星降着に伴うエネルギーの沈殿を追跡している。
• 静穏な原始惑星環を模倣するように、境界条件および初期条件を設定している。中央に恒星が存在し、質量の大きな惑星が配置されている。
• 分解能や降着処理のパラメータを体系的に変化させ、結果の頑健性を検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射輸送は、3次元惑星-ディスクシミュレーションにおけるギャップ形成プロセスおよびトルクの時間変化にどのように影響するか？
• RQ2 熱力学的取り扱いを現実的に行うと、質量の大きなプロト惑星の周囲における3次元的温度および密度構造はどのように変化するか？
• RQ3 周惑星ガスの性質（例：スケール高さ、回転プロファイル）は、薄いディスク近似と比べてどのように異なるか？
• RQ4 数値的分解能および質量降着モデルの取り扱いは、シミュレーションの結果にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 圧力支持型エンベロープがプロト惑星の周囲に形成可能か？その構造的特徴は衛星形成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 周惑星ガスは、H/R ≈ 0.5 に相当する厚い圧力支持型エンベロープを形成しており、薄いディスク近似と比べて顕著に厚い。
• 周惑星領域における回転速度はケプラーダイナミクスの値の約50%にとどまり、強力な熱的圧力支持の兆候である。
• この厚いエンベロープ構造は、薄いディスク近似の前提を覆しており、ケプラーディスクではなく、雲状の周惑星ガスの存在を示唆している。
• 0.1 Roche半径の位置から放出された質量の大きな固体は、1か月以内に惑星に落下するため、周惑星物質からの衛星形成は極めて困難である。
• 放射熱流体力学モデルでは、現実的な降着を想定した場合、等温モデルと比較してトルクのフラクチュエーションが1桁程度大きい。
• 初期のギャップ形成段階において、ガスの垂直フountain構造が観測され、数万年間持続する可能性があり、散乱光観測で検出可能である可能性がある。