[论文解读] A new formation scenario of a counter-rotating circumstellar disk: spiral-arm accretion from a circumbinary disk in a triple protostar system

Daisuke Takaishi, Yusuke Tsukamoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文提出了一种三联原恒星系统中反向旋转原行星盘的新形成机制，其中第三颗原恒星通过环绕双星的原行星盘碎裂形成，随后由于来自环绕双星盘的螺旋臂吸积而使其盘面旋转方向反转。这种反向旋转可持续约64,000年，提供了一条纯流体动力学驱动的路径，解释了ALMA观测到的反向旋转盘，而无需依赖磁场或初始倾角偏差。

ABSTRACT

We present the evolution of rotational directions of circumstellar disks in a triple protostar system simulated from a turbulent molecular cloud core with no magnetic field. We find a new formation pathway of a counter-rotating circumstellar disk in such triple systems. The tertiary protostar forms via the circumbinary disk fragmentation and the initial rotational directions of all the three circumstellar disks are almost parallel to that of the orbital motion of the binary system. Their mutual gravito-hydrodynamical interaction for the subsequent $\sim10^4 hinspace m{yr}$ greatly disturbs the orbit of the tertiary, and the rotational directions of the tertiary disk and star are reversed due to the spiral-arm accretion of the circumbinary disk. The counter-rotation of the tertiary circumstellar disk continues to the end of the simulation ($\sim6.4 imes10^4 hinspace m{yr}$ after its formation), implying that the counter-rotating disk is long-lived. This new formation pathway during the disk evolution in Class 0/I Young Stellar Objects possibly explains the counter-rotating disks recently discovered by ALMA.

研究动机与目标

• 解释ALMA近期在年轻双星系统中观测到的反向旋转原行星盘的起源。
• 研究此类反向旋转盘是否可通过三联原恒星系统中的纯流体动力学过程形成。
• 确定来自环绕双星盘的螺旋臂吸积是否足以引起并维持第三颗原恒星原行星盘的旋转方向反转。
• 评估此类反向旋转盘在演化中的Class 0/I系统中的长期稳定性和存活能力。

提出的方法

• 使用100万粒子的三维光滑粒子流体动力学（SPH）模拟了湍流、无磁性的分子云核心坍缩。
• 通过当SPH粒子密度超过ρsink = 4 × 10⁻⁸ g cm⁻³时形成的吸积粒子追踪盘的形成与演化。
• 将原行星盘定义为引力束缚于吸积粒子、距离在100 au以内、且切向速度比径向速度大200倍的SPH粒子。
• 通过时间分辨的表面密度与速度场分析监测旋转方向的反转。
• 使用三维可视化工具（SPLASH）生成补充视频并分析盘的动力学特性。
• 通过密度加权视线速度与表面密度等高线量化盘的特性，以确认反向旋转。

实验结果

研究问题

• RQ1 反向旋转原行星盘是否可通过三联原恒星系统中纯流体动力学过程形成？
• RQ2 何种物理机制驱动第三颗原恒星盘旋转方向的反转？
• RQ3 来自环绕双星盘的螺旋臂吸积是否足以引发并维持反向旋转？
• RQ4 在动态演化的三联系统中，反向旋转盘能持续多长时间？
• RQ5 该形成路径是否依赖于轨道共振或与螺旋臂的偶然相遇？

主要发现

• 第三颗原恒星的原行星盘（csd3）由于来自环绕双星盘的螺旋臂吸积，其旋转方向从与双星系统及主盘同向旋转转变为反向旋转。
• 反向旋转在模拟剩余时间内（形成后约64,000年）持续存在，表明具有长期稳定性。
• 当第三颗原恒星穿过环绕双星盘螺旋臂的后侧时，触发了盘旋转方向的反转，导致净反向旋转吸积。
• 在反转阶段，csd3中的SPH粒子几乎完全来自环绕双星盘，后续相遇中补充极少。
• 视线投影中的速度分布（图6）显示，csd3的蓝移与红移成分与csd1和csd2的成分呈反平行，证实了反向旋转。
• 该机制无需磁场参与，完全依赖于引力-流体动力学相互作用及环绕双星盘中的螺旋臂结构。