[论文解读] Dispersal of protoplanetary discs: How stellar properties and the local environment determine the pathway of evolution

Gavin A. L. Coleman, Thomas J. Haworth|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用 53

一句话总结

本研究模拟了内禀与外部光致蒸发共同作用下黏性演化原行星盘的演化，识别出五种不同的消散路径——从内向外和从外向内的清除，以及中间状态下的内区残留物质。关键发现是，在高紫外辐射环境中，外盘快速消散抑制了过渡盘的形成，解释了为何在猎户星云星团等区域中过渡盘较为稀少。

ABSTRACT

We study the evolution and final dispersal of protoplanetary discs that evolve under the action of internal and external photoevaporation, and different degrees of viscous transport. We identify five distinct dispersal pathways, which are i) very long lived discs ($>20\,$Myr), ii) inside-out dispersal where internal photoevaporation dominates and opens inner holes, iii) outside-in dispersal where external photoevaporation dominates through disc truncation and two intermediate regimes characterised by lingering material in the inner disc with the outer disc dispersed predominantly by either internal or external photoevaporation. We determine how the lifetime, relative impact of internal and external winds and clearing pathway varies over a wide, plausible, parameter space of stellar/disc/radiation properties. There are a number of implications, for example in high UV environments because the outer disc lifetime is shorter than the time-scale for clearing the inner disc we do not expect transition discs to be common, which appears to be reflected in the location of transition disc populations towards the Orion Nebular Cluster. Irrespective of environment, we find that ongoing star formation is required to reproduce observed disc fractions as a function of stellar cluster age. This work demonstrates the importance of including both internal and external winds for understanding protoplanetary disc evolution.

研究动机与目标

• 理解恒星性质与局部环境如何共同决定原行星盘的演化与消散。
• 解决由于观测快照与星团中持续的恒星形成，导致难以准确估计盘寿命的挑战。
• 研究内禀光致蒸发（X射线/EUV）与外部光致蒸发（附近大质量恒星的FUV）之间的相互作用对盘演化的影响。
• 确定是否可在不精细调节盘寿命的前提下，重现观测到的盘分数与过渡盘的普遍性。
• 评估黏性输运的作用及其在广泛参数空间中对消散路径的影响。

提出的方法

• 采用一维黏性盘模型，其表面密度随时间的演化由扩散方程控制。
• 纳入通过内禀光致蒸发（中心恒星的X射线与EUV）和外部光致蒸发（附近大质量恒星的FUV）导致的质量损失。
• 在每个半径处采用内禀与外部光致蒸发速率的最大值：ẟΣPE(r) = max(ẟΣI,EUV, ẟΣI,X, ẟΣE,FUV)。
• 在广泛且基于观测的参数空间中，变化恒星质量、内禀X射线光度、外部FUV通量和黏性系数（α）。
• 追踪盘随时间的演化，基于清除顺序（从内向外 vs. 从外向内）识别出不同的消散路径。
• 通过经验定义一个“清除半径”，以区分从内向外与从外向内清除的区域，并识别中间状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 当内禀与外部光致蒸发同时存在时，原行星盘的主要消散路径是什么？
• RQ2 恒星质量、内禀X射线光度与外部FUV通量如何共同影响盘的消散 timescales 与路径？
• RQ3 为何在猎户星云星团等高紫外环境中的过渡盘稀少？这是否可由外部光致蒸发解释？
• RQ4 持续的恒星形成在多大程度上影响随星团年龄变化的观测盘分数？
• RQ5 是否可通过极低的内禀与外部光致蒸发速率来解释极长寿的“彼得潘”盘的存在？

主要发现

• 识别出五种不同的消散路径：(i) 长寿命盘（>20 Myr），(ii) 通过内禀光致蒸发实现从内向外清除，(iii) 通过外部光致蒸发实现从外向内截断，(iv) 内区持续吸积的从内向外清除，(v) 存在瞬态空隙的从外向内清除。
• 在高紫外环境中，外盘消散速度快于内盘，导致以内区空洞为特征的过渡盘不常见，与猎户星云星团的观测结果一致。
• 持续的恒星形成对重现随时间变化的观测盘分数至关重要；若无持续恒星形成，盘分数下降过快，尤其在前约3 Myr内。
• 仅当内禀X射线光度与外部FUV通量均较低时，模型才能重现“彼得潘”盘（>40 Myr）的稀少性，表明这类盘需要被屏蔽的、平静的环境。
• 环境对盘分数的影响在最初约3 Myr内最为显著，此后下降趋势由较弱的持续恒星形成主导。
• 高黏性、高内禀光致蒸发的模型可能作为低黏性盘中磁流体动力学（MHD）风驱动消散的代理，表明无需MHD风即可重现关键结果。