[論文レビュー] Modelling circumbinary protoplanetary disks II. Gas disk feedback on planetesimal dynamical and collisional evolution in the circumbinary systems Kepler-16 and 34

Stefan Lines, Z. M. Leinhardt+3 more|Bristol Research (University of Bristol)|Apr 6, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ケプラー16およびケプラー34の連星系周囲の原始惑星系円盤における微惑星の成長を、3次元N体シミュレーションと流体力学的ガス円盤モデルを組み合わせることで調査した。非対称で歳差運動を示すガス円盤が、高い離心率と軌道傾きを引き起こし、その結果、成長を阻害する侵食的衝突を引き起こすことが明らかになった。この結果、ケプラー16bおよびケプラー34bの在位置形成は排除され、より外側の領域で形成され、内側への移動を経て現在の軌道に到達した可能性が支持された。

ABSTRACT

Aims. We investigate the feasibility of planetesimal growth in circumbinary protoplanetary disks around the observed systems Kepler- 16 and Kepler-34 under the gravitational influence of a precessing eccentric gas disk. Methods. We embed the results of our previous hydrodynamical simulations of protoplanetary disks around binaries into an N-body code to perform 3D, high-resolution, inter-particle gravity-enabled simulations of planetesimal growth and dynamics that include the gravitational force imparted by the gas. Results. Including the full, precessing asymmetric gas disk generates high eccentricity orbits for planetesimals orbiting at the edge of the circumbinary cavity, where the gas surface density and eccentricity have their largest values. The gas disk is able to efficiently align planetesimal pericenters in some regions leading to phased, non-interacting orbits. Outside of these areas eccentric planetesimal orbits become misaligned and overlap leading to crossing orbits and high relative velocities during planetesimal collisions. This can lead to an increase in the number of erosive collisions that far outweighs the number of collisions that result in growth. Gravitational focusing from the static axisymmetric gas disk is weak and does not significantly alter collision outcomes from the gas free case. Conclusions. Due to asymmetries in the gas disk, planetesimals are strongly perturbed onto highly eccentric orbits. Where planetesimals orbits are not well aligned, orbit crossings lead to an increase in the number of erosive collisions. This makes it difficult for sustained planetesimal accretion to occur at the location of Kepler-16b and Kepler-34b and we therefore rule out in-situ growth. This adds further support to our initial suggestions that most circumbinary planets should form further out in the disk and migrate inwards.

研究の動機と目的

• ケプラー16およびケプラー34の連星系周囲の原始惑星系円盤における、現実的なガス円盤条件下での在位置微惑星集積の可能性を評価すること。
• 歳差運動を示す非円形のガス円盤が、微惑星の軌道力学および衝突結果に与える影響を調査すること。
• ガス円盤の非対称性および重力的力が、微惑星の成長を促進するか、あるいは阻害するかを特定すること。
• 自己重力、ガス抵抗、および円盤構造が、過酷な連星環境下での微惑星進化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 2次元流体ダイナミクスの結果（Paper IのFARGO-ADSG）を用いたハイブリッドシミュレーションと、相互作用を含む3次元高分解能N体シミュレーションを組み合わせた手法。
• 時間に依存する非対称なガス円盤の重力ポテンシャルをN体フレームワークに組み込み、歳差運動を示す非円形円盤の力のモデル化。
• EDACM衝突モデルを用いて、集積と侵食を区別する微惑星衝突結果のシミュレーション。
• 微惑星間の自己重力を組み込み、その離心率の進化およびリング形成への影響を評価。
• 解析的近似を用いて軸対称なガス抵抗を実装し、重力との相対的影響を評価。
• 12のシミュレーション（A-L）を通じて、円盤パラメータ（対称対比非対称、単一ピーク対比混合サイズ分布）を体系的に変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケプラー16の連星系周囲の原始惑星系円盤において、歳差運動を示す非対称なガス円盤の影響を受ける中で、微惑星は在位置で成長可能か？
• RQ2 非軸対称なガス円盤の重力ポテンシャルは、微惑星の離心率および軌道整合性にどのように影響するか？
• RQ3 軌道の交差および軌道傾きに起因する高相対速度衝突が、集積よりも侵食的結果をもたらす程度はどの程度か？
• RQ4 ガス円盤からの重力的焦点化は、ガスなしの状況と比較して、微惑星の成長を促進するか、あるいは抑制するか？
• RQ5 非対称なガス力の存在下で、微惑星間の自己重力は、軌道の安定化または不安定化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 非対称で歳差運動を示すガス円盤は、ガス表面密度および離心率が最大値を示すキャビティ端縁部で、微惑星の高い離心率軌道を誘発する。
• ガスの非対称性が強い領域では、微惑星の近日点が整列し、位相ずれのない非干渉的軌道が形成され、衝突頻度が低下する。
• 整列領域の外側では、軌道の不整合が顕著な軌道交差と高相対速度を引き起こし、集積よりもはるかに多くの侵食的衝突が発生する。
• 静的で軸対称なガス円盤からの重力的焦点化は弱く、ガスなしの状況と比較して衝突結果に顕著な変化をもたらさない。
• 微惑星間の自己重力は、特に軸対称なガス円盤条件下で形成される高密度リングにおいて、離心率分布の形態に重要な役割を果たす。
• 初期微惑星が大きく（R > 100 km）であったとしても、非対称なガス円盤はケプラー16bおよびケプラー34bの軌道半径で持続的な集積を妨げる過酷な環境を創出する。