[논문 리뷰] Disc-protoplanet interaction Influence of circumprimary radiative discs on self-gravitating protoplanetary bodies in binary star systems

Markus Gyergyovits, Siegfried Eggl외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이중성계의 점성 있고 복사되는 원주행성원반과 수천 개의 자가중력 작용을 하는 원행 星형 행성형성체 간의 상호작용을 시뮬레이션하는 2차원 유체역학적 GPU-CPU 코드를 제시한다. 이는 원반의 중력과 기체 저항이 원행성형성체 궤도에 중대한 영향을 미친다는 것을 보여주며, 역학적으로 변화하는 원반은 충돌 속도를 증가시키고 행성 형성 억제를 초래하는 반면, 복사 냉각은 더 안정된 원반 조건을 만들어 내어 축적을 유리하게 만든다.

ABSTRACT

Context. More than 60 planets have been discovered so far in systems that harbour two stars, some of which have binary semi-major axes as small as 20 au. It is well known that the formation of planets in such systems is strongly influenced by the stellar components, since the protoplanetary disc and the particles within are exposed to the gravitational influence of the binary. However, the question on how self-gravitating protoplanetary bodies affect the evolution of a radiative, circumprimary disc is still open. Aims. We present our 2D hydrodynamical GPU-CPU code and study the interaction of several thousands of self-gravitating particles with a viscous and radiative circumprimary disc within a binary star system. To our knowledge this program is the only one at the moment that is capable to handle this many particles and to calculate their influence on each other and on the disc. Methods. We performed hydrodynamical simulations of a circumstellar disc assuming the binary system to be coplanar. Our gridbased staggered mesh code relies on ideas from ZEUS-2D, where we implemented the FARGO algorithm and an additional energy equation for the radiative cooling according to opacity tables. To treat particle motion we used a parallelised version of the precise Bulirsch - Stoer algorithm. Four models in total where computed taking into account (i) only N-body interaction, (ii) N-body and disc interaction, (iii) the influence of computational parameters (especially smoothing) on N-body interaction, and (iv) the influence of a quiet low-eccentricity disc while running model (ii). The impact velocities where measured at two different time intervals and were compared. Results. We show that the combination of disc- and N-body self-gravity can have a significant influence on the orbit evolution of roughly Moon sized protoplanets.

연구 동기 및 목표

• 이중성계에서 점성 있고 복사되는 원주행성원반에 대한 자가중력 작용을 하는 원행성형성체의 영향을 모델링하는 것.
• 원반 중력과 기체 저항력이 원행성형성체 궤도 진화와 충돌 속도에 공동으로 미치는 영향를 평가하는 것.
• 원반의 역학적 상태(정적 대비 역학적으로 변화하는 상태)와 수치적 스무딩 매개변수의 행성 형성 결과에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이전 연구의 벤치마크 모델을 사용하여 코드의 정확성을 검증하는 것 (예: Kley & Crida 2008), 특히 복사 냉각과 토크력 시뮬레이션의 정확성에 중점을 두며.

제안 방법

• ZEUS-2D 기반의 격자 기반, 스태그너드 메시 유체역학 코드에 FARGO 알고리즘을 통합하여 수치적 안정성을 향상시킴.
• 흡광도 표를 사용하여 복사 냉각을 모델링하는 에너지 방정식을 통합하여 원반 내 실제 열적 구조를 구현함.
• 수천 개의 원행성형성체 간의 N체 중력력 계산을 정확히 수행하기 위해 병렬화된 Bulirsch-Stoer 적분기를 사용함.
• 네 가지 다른 모델을 시뮬레이션: N체만, N체 + 원반 상호작용, 스무딩 매개변수 민감도, 원반 역학적 상태 영향.
• 서브-케플러 회전 프로파일과 감쇠 영역을 포함한 반사 경계 조건을 적용하여 인위적 반사 효과를 최소화함.
• 분석적 해와 이전의 벤치마크 모델(예: Kley & Crida 2008)에 기반하여 코드를 검증함. 주로 원반 온도, 비율, 토크 프로파일에 중점을 두며.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가중력 작용을 하는 원행성형성체 집단의 영향은 이중성계에서 복사되는 원주행성원반의 진화에 어떻게 작용하는가?
• RQ2 원반 중력과 기체 저항력이 달라지는 정도는 월 크기의 원행성형성체의 궤도 진화와 충돌 속도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 원반의 역학적 상태—정적 상태 대비 역학적으로 변화하는 상태—는 행성 형성 효율성과 충돌 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 중력 스무딩 길이와 같은 수치적 매개변수는 N체 및 원반 상호작용 시뮬레이션의 정확성과 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 복사 냉각은 임베디드 원행성형성체에 작용하는 원반 구조와 토크 분포에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 원반의 중력 영향은 기체 저항력만으로 예측되는 것보다 원행성형성체 궤도 진화에 더 큰 영향을 미친다.
• 복사 냉각이 있는 원반은 局소 등온 모델에 비해 낮은 이심률과 더 안정된 역학적 행동을 보이며, 축적에 유리한 조건을 조성한다.
• 완전히 복사되는 경우 20 Earth-mass의 행성에 작용하는 특정 토크는 Kley & Crida (2008)의 결과보다 略로 높으며, 단지 0.77 au에서 최대 비율 0.059를 기록한다.
• 역학적으로 변화하는 원반에서는 원행성형성체 간 충돌 속도가 크게 증가하여 축적 효율성이 떨어지고, 행성 형성 과정이 정지할 수 있다.
• N체 시뮬레이션에서 스무딩 길이가 결과에 매우 큰 영향을 미치며, 작은 스무딩 길이는 더 높은 충돌 빈도와 더 강한 중력 교란을 유도한다.
• 코드는 분석적 원반 온도 및 비율 프로파일을 성공적으로 재현하였으며, 비이상적인 흡광도 행동으로 인해 고온 영역에서 약간의 편차가 발생한다.