[논문 리뷰] On Rapid Disk Accretion and Initial Conditions in Protostellar Evolution

Lee Hartmann, Zhaohuan Zhu외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 16.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 저질량 원성운의 냉각 급속 디스크 붕괴 가정을 도전하며, 높은 붕괴율이 뜨거운 기하학적으로 두꺼운 디스크를 만들어 원성운을 가열함으로써 냉각 붕괴 모델이 관측과 일치하지 않음을 주장한다. 이는 初기 원성운 반지름이 난류 붕괴 조건에 의해 결정되며, 이로 인해 젊은 항성에서 약 1 Myr의 나이 불확실성을 초래함을 결론 내린다. 이는 10 Myr가 아니라 1 Myr이다.

ABSTRACT

Low-mass protostars may accrete most of their material through short-lived episodes of rapid disk accretion; yet until recently evolutionary tracks for these protostars assumed only constant or slowly-varying accretion. Important initial steps toward examining the potential effects of rapid accretion were recently made by Baraffe, Chabrier, & Gallardo, who showed that in the limit of low-temperature ("cold") accretion, protostars may have much smaller radii than found in previous treatments. Such small radii at the end of protostellar accretion would have the effect of making some young stars appear much older - perhaps as much as 10 Myr - than they really are. However, we argue that very rapid disk accretion is unlikely to be cold, because observations of the best-studied pre-main sequence disks with rapid disk accretion outbursts - the FU Ori objects - have spectral energy distributions which imply large, not small, protostellar radii. In addition, theory indicates models that at high accretion rates, protostellar disks become internally hot and geometrically thick, making it much more likely that hot material is added to the star. In addition, the very large luminosity of the accretion disk is likely to irradiate the central star strongly, heating up the outer layers and potentially expanding them. Nevertheless, the Baraffe et al. calculations emphasize the importance of initial protostellar radii for subsequent evolution.

연구 동기 및 목표

• 저질량 원성운의 빠른 디스크 붕괴 상황에서 냉각 붕괴 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 빠른 냉각 붕괴가 Baraffe 등 (2009)이 예측한 작은 원성운 반지름을 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 관측된 주계열 전 별의 위치를 HR도표와 이론적 진화 궤적 간에 조율하기 위해.
• 초기 원성운 핵 반지름이 관측된 항성 나이를 결정하는 데서 수행하는 역할 평가하기 위해.
• 빠른 주기적 붕괴가 젊은 항성에서 큰 나이 불확실성(예: 10 Myr)을 초래할 수 있는지 결정하기 위해.

제안 방법

• FU Orionis 천체의 관측 SED 분석을 통해, 냉각 붕괴 모델과 일치하지 않는 큰 원성운 반지름을 보여줌.
• 이론적 디스크 모델을 적용하여 고속 붕괴율이 점성加열과 기하학적으로 두꺼운 디스크를 유도함을 보여줌.
• 디스크 안정성 기준을 사용하여 디스크가 열적으로 두꺼워지는 반경을 추정함 (10⁻⁴ M☉ yr⁻¹ 붕괴율일 경우 R_T ~ 0.23 AU).
• 수직 평균 디스크 방정식과 투과도 스케일링을 사용하여 디스크 중심 온도 및 압력 프로파일 비교.
• 조명과 내부 가열의 원성운 반지름과 수축 timescale에 미치는 영향 평가.
• 원성운 진화에서 열 에너지 추가가 무시 가능하다는 가정을 재검토하며, 냉각 붕괴와 뜨거운 붕괴를 대비함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 열 에너지 입력 없이도 냉각, 저온 상태에서 빠른 디스크 붕괴가 발생할 수 있는가?
• RQ2 FU Ori 천체의 관측 SED는 작은지 큰 원성운 반지름을 지지하는가, 그리고 이는 나이 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 디스크 가열과 기하학적 두께가 심각해지는 임계 붕괴율은 무엇인가?
• RQ4 난류 유체역학적 붕괴에 의해 결정되는 初기 원성운 핵 반지름은 후속 항성 진화와 나이 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초기 조건의 변동이 젊은 항성 군집에서 관측된 반지름 산란을 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• FU Ori 천체의 관측 결과는 큰 원성운 반지름을 보이며, 이는 냉각 붕괴 모델의 예측와 정면으로 배치됨.
• 높은 붕괴율은 점성가열을 겪고 기하학적으로 두꺼운 디스크를 만들어내며, 이는 냉각 붕괴가 물리적으로 불가능함을 시사함.
• 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹ 붕괴율일 경우 디스크는 R_T ~ 0.23 AU에서 기하학적으로 두꺼워지며, 중심 온도는 2×10⁴ K를 초과함.
• 뜨거운 두꺼운 디스크는 원성운의 외부층을 조명하고 가열하여 그 반지름을 확장하고 증가시킬 수 있음.
• 빠른 냉각 붕괴는 젊은 항성에서 관측된 반지름 변동을 설명할 수 없으며, 나이 불확실성은 10 Myr가 아니라 약 1 Myr로 제한됨.
• 난류 붕괴에 의해 결정되는 초기 원성운 핵 반지름은 주계열 전 진화와 관측된 나이에 있어 상당한 변동을 유도함.