[논문 리뷰] Self-gravitating accretion discs

Giuseppe Lodato|ArXiv.org|2008. 01. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 자가중력적 원형흡착원판의 역학과 진화를 검토하며, 원판의 자가중력이 운동량을 재분배하고 덩어리로 분열되는 중력 불안정성을 유도하는 방식을 강조한다. 주요 발견은 원형흡착원판이 긴 냉각 시간스케일로 인해 분열에 대해 일반적으로 안정하지만, 짧은 냉각 시간스케일과 낮은 온도로 인해 AGN 원판는 분열에 취약하여 초거대 블랙홀 근처에서 별 형성이 가능하다는 것이다.

ABSTRACT

I review recent progresses in the dynamics and the evolution of self-gravitating accretion discs. Accretion discs are a fundamental component of several astrophysical systems on very diverse scales, and can be found around supermassive black holes in Active Galactic Nuclei (AGN), and also in our Galaxy around stellar mass compact objects and around young stars. Notwithstanding the specific differences arising from such diversity in physical extent, all these systems share a common feature where a central object is fed from the accretion disc, due to the effect of turbulence and disc instabilities, which are able to remove the angular momentum from the gas and allow its accretion. In recent years, it has become increasingly apparent that the gravitational field produced by the disc itself (the disc's self-gravity) is an important ingredient in the models, especially in the context of protostellar discs and of AGN discs. Indeed, it appears that in many cases (and especially in the colder outer parts of the disc) the development of gravitational instabilities can be one of the main agents in the redistribution of angular momentum. In some cases, the instability can be strong enough to lead to the formation of gravitationally bound clumps within the disc, and thus to determine the disc fragmentation. As a result, progress in our understanding of the dynamics of self-gravitating discs is essential to understand the processes that lead to the feeding of both young stars and of supermassive black holes in AGN. At the same time, understanding the fragmentation conditions is important to determine under which conditions AGN discs would fragment and form stars and whether protostellar discs might form giant gaseous planets through disc fragmentation.

연구 동기 및 목표

• 다양한 천체물리 시스템에서 원판 자가중력이 흡착원판 내 운동량 수송을 어떻게 이끄는지 이해하기.
• 자가중력적 원판이 중력적으로 결합된 덩어리로 분열하는 조건을 조사하기.
• 원형흡착원판(고온, 긴 냉각 시간스케일)과 AGN 원판(냉각, 짧은 냉각 시간스케일) 간의 분열 행동의 대조를 명확히 하기.
• 원형흡착원판에서의 행성 형성과 AGN 환경에서의 별 형성에 대한 분열의 영향을 평가하기.
• 실제 복사전달과 피드백 메커니즘을 포함한 향상된 수치 모델의 필요성을 부각하기.

제안 방법

• 자기중력 원판의 고해상도 유체역학 시뮬레이션과 분석 모델을 결합한다.
• 특히 냉각 시간스케일 τ_coolΩ의 다양한 불안정성 영역을 탐색하기 위해 시뮬레이션에서 단순화된 냉각 규정을 사용한다.
• 원판 안정성을 평가하기 위해 Toomre Q 파라미터를 적용하며, Q < 1은 중력 불안정성을 나타낸다.
• 열 에너지와 점성 소산이 원판를 안정화하거나 불안정하게 하는 역할을 분석한다.
• 충돌 없는 항성 원판과 기체 원판의 역학을 비교하며, 에너지 소산 및 파동 전파의 차이점을 강조한다.
• 중앙 천체의 조명과 형성 중인 별의 피드백이 분열과 흡착에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원판 자가중력이 흡착원판에서 중력 불안정성과 운동량 수송을 유도하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 냉각 시간스케일이 원형흡착원판과 AGN 원판에서 원판 분열 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 높은 자가중력에도 불구하고 원형흡착원판은 일반적으로 분열에 안정한 이유는 무엇인가, 반면 AGN 원판는 왜 분열에 취약한가?
• RQ4 원판 분열이 중심 블랙홀이나 원형흡착원판에 흡착되는 것을 얼마나 억제하는가?
• RQ5 복사전달이 자기중력 원판의 열역학적 특성과 안정성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 자기중력은 특히 AGN 및 원형흡착원판 시스템에서 외곽의 더운 영역에서 운동량 수송의 주요 메커니즘이다.
• AGN 원판는 낮은 온도(H/R ≪ 1)와 짧은 냉각 시간스케일(τ_coolΩ ≪ 1)로 인해 분열에 매우 취약하여 덩어리 형성이 가능하다.
• 원형흡착원판는 긴 냉각 시간스케일(τ_coolΩ ≫ 1)과 높은 온도로 인해 일반적으로 분열에 대해 안정하지만, 외곽부에서만 예외적일 수 있다.
• AGN 원판의 분열은 천구 중심부의 젊은 거대 별 존재를 설명할 수 있다.
• 중심 흡착을 억제하는 분열 위험은 크며, 대부분의 원판 질량이 중심 천체가 아닌 덩어리로 향할 수 있기 때문이다.
• 현재의 시뮬레이션은 종종 단순화된 냉각 함수를 사용한다; 실제 복사전달과 형성 중인 별의 피드백은 정확한 모델링을 위해 여전히 주요 과제이다.