[논문 리뷰] Gravoturbulent formation of planetesimals

Anders Johansen, Hubert Klahr외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 04. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 원반의 전체 먼지층이 불안정성에 충분히 농축되어 있지 않더라도, 태행성원반 내에서 자기력에 의한 난류가 메터 크기의 돌맹이 덩어리를 빠르게 끌고 가는 것보다 더 높은 밀도로 집합시켜 행성형성체로의 중력 붕괴를 유도할 수 있다고 제안한다. 난류는 일시적인 축적된 기체 밀도를 만들어내며 고체를 갇히게 하고 농축시키며, 이로 인해 반경 방향 이동 속도가 40% 감소하고 현실적인 조건에서 국소적인 중력 불안정성이 발생하게 된다.

ABSTRACT

We explore the effect of magnetorotational turbulence on the dynamics and concentrations of boulders in local box simulations of a sub-Keplerian protoplanetary disc. The solids are treated as particles each with an independent space coordinate and velocity. We find that the turbulence has two effects on the solids. 1) Meter and decameter bodies are strongly concentrated, locally up to a factor 100 times the average dust density, whereas decimeter bodies only experience a moderate density increase. The concentrations are located in large scale radial gas density enhancements that arise from a combination of turbulence and shear. 2) For meter-sized boulders, the concentrations cause the average radial drift speed to be reduced by 40%. We find that the densest clumps of solids are gravitationally unstable under physically reasonable values for the gas column density and for the dust-to-gas ratio due to sedimentation. We speculate that planetesimals can form in a dust layer that is not in itself dense enough to undergo gravitational fragmentation, and that fragmentation happens in turbulent density fluctuations in this sublayer.

연구 동기 및 목표

• 자기력에 의한 난류가 부분적으로 케플러 운동을 따르지 않는 원반에서 고체 입자의 운동 및 농축에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 난류에 의해 유도된 밀도 증가가 먼지가 풍부한 층에서 중력 불안정성을 유도할 수 있는지 판단하기 위해.
• 메터 크기의 돌맹이가 빠른 반경 방향 이동을 피하고 국소적인 중력 붕괴를 통해 행성형성체를 형성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 난류가 행성형성체 형성의 촉매제 역할을 하는지, 또는 파괴적인 힘으로 작용하는지 평가하기 위해.
• 밀도가 높은 고체 덩어리에서 중력 불안정성이 발생하기 위한 최소 기체 열량 밀도를 추정하기 위해.

제안 방법

• 입자들이 독립적인 트레이서로 처리된, 난류가 있는 부분적으로 케플러 운동을 따르지 않는 원반을 대상으로 국소 상자 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기체 및 먼지의 운동을 별도로 해결하기 위해 자기력에 의한 난류 모델을 사용하였다.
• 메터, 디시미터, 데카미터 크기의 돌맹이의 공간 분포와 속도를 추적하여 농축도와 이동 속도를 측정하였다.
• 기체 과잉 밀도 영역에서 먼지 대 기체 비율과 열량 밀도를 측정하여 중력 불안정성 잠재력 평가를 수행하였다.
• 켈빈-헬름홀츠 불안정성에 대한 저항력을 평가하기 위해 리처드슨 수 기반 기준을 적용하였다.
• 밀도가 높은 덩어리에서 국소적 자중이 지배적이라는 간단한 모델을 가정하여 중력 불안정성 임계값을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원반 내 난류가 메터 크기의 돌맹이를 충분히 국소적으로 농축시켜 중력 붕괴를 유도할 수 있는가?
• RQ2 자기력에 의한 난류가 메터 크기의 고체 입자의 반경 방향 이동 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고체 덩어리의 농축된 덩어리에서 중력 불안정성이 발생하기 위한 최소 기체 열량 밀도는 얼마인가?
• RQ4 난류에 의해 발생하는 일시적인 기체 밀도 증가가 고체를 효과적으로 갇히고 농축시키는가?
• RQ5 난류에 의해 유도된 농축 메커니즘은 반경 방향 이동 장벽과 파편화 한계를 극복하기에 충분히 견고한가?

주요 결과

• 메터 크기의 돌맹이는 큰 스케일의 반경 방향 기체 밀도 증가에 갇혀 평균 먼지 밀도보다 최대 100배까지 국소적으로 농축된다.
• 메터 크기의 돌맹이의 평균 반경 방향 이동 속도는 이러한 농축 효과로 인해 40% 감소한다.
• 디시미터 크기의 천체는 밀도가 다소 증가하는 반면, 데카미터 크기의 천체는 더 약한 농축을 보인다.
• 고체의 가장 높은 밀도를 가진 덩어리는 물리적으로 합리적인 기체 열량 밀도와 먼지 대 기체 비율 조건에서 중력적으로 불안정하다.
• 난류가 일시적인 과잉 밀도를 생성할 경우, 전체적으로는 파편화에 충분히 농축되어 있지 않은 수직으로 침강한 먼지 층에서도 중력 불안정성이 발생할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과 난류는 파괴 요소가 아니라, 필요한 밀도 변동을 생성함으로써 행성형성체 형성의 촉매제 역할을 한다는 것이 제안된다.