[论文解读] First 3-D grid-based gas-dust simulations of circumstellar disks with an embedded planet

Fabian Binkert, J. Szulágyi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究首次对包含嵌入行星的原行星盘进行了基于三维网格的流体动力学模拟，耦合了气体与1毫米尘埃动力学。结果表明，行星会引致尘埃的垂直搅动，使尘埃盘增厚，导致ALMA测得的质量低估真实盘质量达10倍之多，暗示基于光学薄假设的先前盘质量估算可能显著偏低。

ABSTRACT

Substructures are ubiquitous in high resolution (sub-)millimeter continuum observations of circumstellar disks. They are possibly caused by forming planets embedded in the disk. To investigate the relation between observed substructures and young planets, we perform novel three-dimensional two-fluid (gas+1-mm-dust) hydrodynamic simulations of circumstellar disks with embedded planets (Neptune-, Saturn-, Jupiter-, 5 Jupiter-mass) at different orbital distances from the star (5.2AU, 30AU, 50AU). We turn these simulations into synthetic (sub-)millimeter ALMA images. We find that all but the Neptune-mass planet open annular gaps in both the gas and the dust component of the disk. We find that the temporal evolution of the dust density distribution is distinctly different of the gas'. For example, the planets cause significant vertical stirring of the dust in the circumstellar disk which opposes the vertical settling. This creates a thicker dust disk than disks without a planet. We find that this effect greatly influences the dust masses derived from the synthetic ALMA images. Comparing the dust disk masses in the 3D simulations and the ones derived from the 2D ALMA synthetic images, we find the former to be a factor of a few (up to 10) larger, pointing to that real disks might be significantly more massive than previously thought based on ALMA continuum images using the optically thin assumption and equation. Finally, we analyze the synthetic ALMA images and provide an empirical relationship between the planet mass and the width of the gap in the ALMA images including the effects of the beam size.

研究动机与目标

• 利用三维双流体流体动力学研究嵌入行星如何塑造原行星盘中的亚结构。
• 确定行星引力扭矩对尘埃分布的影响，特别是垂直搅动与空隙形成。
• 评估在标准光学薄假设下，ALMA测得的尘埃质量的可靠性。
• 建立观测到的ALMA空隙宽度与行星质量之间的定量经验关系。
• 评估湍流与温度等盘属性如何影响尘埃连续谱中行星空隙的形态与可观测性。

提出的方法

• 对不同质量（海王星级至5倍木星质量）的嵌入行星原行星盘进行三维网格化流体动力学模拟。
• 采用双流体方法模拟耦合的气体与1毫米尘埃动力学，包括尘埃对气体的反作用。
• 在不同轨道半径（5.2 AU、30 AU、50 AU）下模拟盘，以评估轨道距离的影响。
• 对三维模拟输出应用辐射转移，生成合成ALMA图像以模拟真实观测。
• 分别基于完整三维模拟与2D ALMA模拟图像，使用标准光学薄公式推导盘质量。
• 拟合观测ALMA空隙宽度与行星质量之间的经验关系，考虑波束尺寸与盘参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 嵌入行星如何影响三维原行星盘中尘埃的垂直结构与密度分布？
• RQ2 行星引起的尘埃垂直搅动在多大程度上改变了ALMA观测中推断的尘埃盘质量？
• RQ3 ALMA图像中的空隙宽度与行星质量之间有何相关性？该关系能否用于从观测中反演行星质量？
• RQ4 盘的湍流与温度如何影响尘埃连续谱中行星空隙的形态与可观测性？
• RQ5 当应用于含嵌入行星的盘时，标准光学薄尘埃质量公式在多大程度上存在偏差？

主要发现

• 除海王星级行星外，所有行星在气体与尘埃组分中均打开环状空隙，空隙宽度与深度随时间演化。
• 尘埃空隙深度可能先增加后减小，而气体空隙则持续加深。
• 行星引致显著的尘埃垂直搅动，使尘埃盘比无行星系统更厚，从而抵消了垂直沉降效应。
• 从ALMA模拟图像推导的尘埃盘质量系统性低于真实三维质量，低估程度在2至10倍之间，具体取决于系统参数。
• 该偏差在低质量行星系统中最为显著，无论轨道距离远近，表明标准质量估算存在普遍偏差。
• 建立了ALMA空隙宽度与行星质量之间的经验关系，整合了轨道半径、盘湍流与温度参数，可为未来行星质量约束提供依据。