[논문 리뷰] On the origin of the wide-orbit circumbinary giant planet HD 106906: A dynamical scenario and its impact on the disk

L. Rodet, H. Beust외 5명|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|2017. 03. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 69인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 넓은 궤도를 도는 거성 HD 106906 b가 원시 디스크에서 형성되어 디스크 유도 이동을 겪고, 이중성의 평균 운동 공명에 의해 내외로 산산이 흩어졌으며, 결국 희귀한 가까운 비행에 의해 안정화된 역동적 시나리오를 제안한다. 비록 현재의 넓은 궤도가 이 메커니즘 하에서 발생할 가능성은 매우 낮지만(낮은 항성 밀도로 인해 확률 <10⁻⁷), 이는 행 星의 비정상적인 궤도와 탈출 경로에 의해 유도된 나선형 구조로 관측된 디스크 비대칭성을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

A giant planet has been recently resolved at a projected distance of 730 au from the tight pair of young ($\sim$ 13 Myr) intermediate-mass stars HD 106906AB in the Lower Centaurus Crux (LCC) group. The stars are surrounded by a debris disk which displays a ring-like morphology and strong asymmetries at multiple scales. We aim at studying the likelihood of a scenario where the planet formed closer to the stars in the disk, underwent inward disk-induced migration, and got scattered away by the binary star before being stabilized by a close encounter (fly-by). We performed semi-analytical calculations and numerical simulations (Swift_HJS package) to model the interactions between the planet and the two stars. We accounted for the migration as a simple force. We studied the LCC kinematics to set constraints on the local density of stars, and therefore on the fly-by likelihood. We performed N-body simulations to determine the effects of the planet trajectories (ejection and secular effects) onto the disk morphology. The combination of the migration and mean-motion resonances with the binary star (often 1:6) can eject the planet. Nonetheless, we estimate that the fly-by hypothesis decreases the scenario probability to less than $10^{-7}$ for a derived local density of stars of 0.11 stars/pc$^{3}$. We show that the concomitant effect of the planet and stars trajectories induce spiral-features in the disk which may correspond to the observed asymmetries. Moreover, the present disk shape suggests that the planet is on an eccentric orbit. The scenario we explored is a natural hypothesis if the planet formed within a disk. Conversely, its low probability of occurrence and the fact that HD 106906 b shares some characteristics with other systems in Sco-Cen (e.g. HIP 78530, in terms of mass ratio and separation) may indicate an alternative formation pathway for those objects.

연구 동기 및 목표

• HD 106906 b가 원시 행성계 디스크에서 형성되었고, 천체 상호작용을 통해 현재의 넓은 궤도로 산산이 흩어졌을 수 있는지 조사하기.
• 저밀도 환경인 LCC 군대에서 비행 근접 접촉이 행성 궤도를 안정화시킬 가능성과 그 확률을 평가하기.
• 행성의 과거 궤도가 관측된 비대칭적인 행성 띠의 형태, 특히 나선형 구조와 공극을 재현할 수 있는지 확인하기.
• 궤도 이심률과 기울기가 세속 및 유사 세속 항성 간섭을 통해 디스크 비대칭성에 미치는 영향을 평가하기.
• 기본 형성 경로(예: 현지에서 형성 또는 구름 붕괴)와 비교하여 디스크 이동 및 산산이 흩어짐 시나리오의 타당성 평가하기.

제안 방법

• Swift_HJS 패키지를 사용한 N-body 시뮬레이션과 반분석 계산을 통해 행성-항성 상호작용과 궤도 진화 모델링하기.
• 초기 시스템 진화 동안 내측 이동을 시뮬레이션하기 위해 단순화된 힘으로 디스크 유도 이동 포함하기.
• LCC 운동 데이터를 활용해 지역 항성 밀도(0.11 stars/pc³) 추정하고, 가까운 비행 근접 확률 제약하기.
• N-body 시뮬레이션을 통해 행성 궤도의 탈출 및 세속 효과가 디스크의 형태와 비대칭성에 미치는 영향 평가하기.
• 이심률, 기울기 또는 진동하는 행성 궤도가 디스크와 상호작용할 때 발생하는 나선형 밀도파 형성 모델링하기.
• SPHERE, GPI, HST 및 MagAO 영상 데이터에서 관측된 비대칭성과 시뮬레이션된 디스크 특징 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 넓은 궤도를 도는 거성 HD 106906 b가 원시 디스크에서 형성되었고, 이중성의 평균 운동 공명에 의해 외부로 산산이 흩어졌을 수 있는가?
• RQ2 저밀도 LCC 환경에서 비행 근접 접촉이 행성 궤도를 안정화시킬 가능성이 얼마이며, 이는 시나리오의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 행성의 과거 이심 및 기울기 궤도가 데브리 디스크의 나선형 구조와 비대칭성에 얼마나 큰 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 이심 외행성의 세속 항성 간섭이 디스크의 밝기 분포와 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 디스크 형태는 행성이 동역학적 산산이 흩어짐을 통해 탈출하거나 넓은 궤도로 이동한 것으로 일치하는가?

주요 결과

• 디스크 유도 이동과 이중성과의 평균 운동 공명의 병합 효과는 행성을 탈출시킬 수 있지만, 비행 근접에 의한 안정화 가능성은 매우 낮으며, 0.11 stars/pc³의 지역 항성 밀도를 고려할 때 확률이 10⁻⁷ 이하일 뿐이다.
• 행성의 과거 이심 궤도(근일점 약 200 au)는 디스크에 나선형 밀도파를 생성할 수 있으며, 이는 관측된 비대칭적이고 고리 형태의 형태에 더 넓은 서쪽 방향 기능을 설명할 수 있다.
• 120 au 이상 거리에서는 서쪽이 더 밝고, 120 au 이내에서는 동쪽이 더 밝은 관측된 반대 비대칭성은, 탈출 또는 궤도 진화 중 행성의 역학적 영향으로 재현될 수 있다.
• 내부 및 외부 고리가 각각 약 13.7 au와 46 au에 위치한 디스크의 공극 형태는, 과거 행성의 중력 간섭과 세속 효과와 일치한다.
• 행성이 디스크 내부에서 형성되어 외부로 산산이 흩어졌을 경우에만 시나리오가 타당하며, 그러나 비행 근접 안정화의 낮은 확률은 HD 106906과 유사한 Sco-Cen 내 넓은 궤도의 보조 행성(예: HIP 78530 b)의 경우, 현지에서 형성되거나 구름 붕괴를 통한 형성과 같은 대안 경로가 필요할 수 있음을 시사한다.
• N-body 시뮬레이션과 단순화된 이동력으로 행성-디스크 상호작용을 모델링하는 방법은 다른 원형이중성 시스템에 일반화 가능하며, 초기 궤도 안정성과 디스크 형태 변화 영향 평가에 활용될 수 있다.