[论文解读] Formation of Jupiter and Conditions for Accretion of the Galilean Satellites

P. R. Estrada, I. Mosqueira+3 more|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 195被引用 12

一句话总结

本文提出，木星的原行星盘——对形成伽利略卫星至关重要——经历两个阶段的演化：在形成间隙之前，通过低角动量气体吸积形成一个紧凑而质量较大的盘；在间隙形成之后，由于高角动量气体流入，形成一个更广延但质量较小的盘。关键结果是，木星与盘之间角动量的分配，加上小行星体的输送，使得在现实的吸积和湍流条件下能够形成卫星。

ABSTRACT

We present an overview of the formation of Jupiter and its associated circumplanetary disk. Jupiter forms via a combination of planetesimal accretion and gravitational accumulation of gas from the surrounding solar nebula. The formation of the circumjovian gaseous disk, or subnebula, straddles the transitional stage between runaway gas accretion and Jupiter's eventual isolation from the solar disk. This isolation, which effectively signals the termination of Jupiter's accretion, takes place as Jupiter opens a deep gas gap in the solar nebula, or the solar nebula gas dissipates. We describe the conditions for accretion of the Galilean satellites, including the timescales for their formation, and mechanisms for their survival, all within the context of key constraints for satellite formation models. The environment in which the regular satellites form is tied to the timescale for circumplanetary disk dispersal, which depends on the nature and persistence of turbulence. In the case that subnebula turbulence decays as gas inflow wanes, we present a novel mechanism for satellite survival involving gap opening by the largest satellites. On the other hand, assuming that sustained turbulence drives subnebula evolution on a short timescale compared to the satellite formation timescale, we review a model that emphasizes collisional processes to explain satellite observations. We briefly discuss the mechanisms by which solids may be delivered to the circumplanetary disk. However, we expect that planetesimal delivery mechanisms likely provide the bulk of material for satellite accretion.

研究动机与目标

• 理解木星原行星盘（次原行星盘）的形成及其在伽利略卫星形成中的作用。
• 确定原行星盘中是否存在深气体间隙会影响盘的大小、质量及角动量分布。
• 评估将固体物质输送到原行星盘的机制，特别是通过小行星体破碎和捕获的方式。
• 评估湍流持续性对卫星形成 timescales 和生存机制的影响。
• 在现实的物理约束条件下，调和卫星系统的特性（如轨道间距和成分）与形成模型之间的关系。

提出的方法

• 使用一维吸积模型模拟木星的生长，包含小行星体和气体吸积，采用现实的消光系数（星际介质的2%）和固体表面密度（10 g cm⁻²）。
• 追踪吸积过程中行星质量、光度和角动量的演化，识别从缓慢积累、快速 runaway 增长到最终静止阶段的转变。
• 将原行星盘的形成建模为气体流入比角动量的函数，区分间隙形成前后的吸积阶段。
• 分析在两种湍流情景下的盘演化：持续湍流（驱动次原行星盘快速演化）与衰减湍流（使大质量卫星能够打开间隙）。
• 通过喂养区内的碰撞磨损评估小行星体输送，估算通过引力捕获或烧蚀进入盘的质量传输。
• 比较木星与盘之间的角动量分配，检验角动量均分模型及其对盘质量与大小的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘中深气体间隙的形成如何影响原行星盘的大小和质量？
• RQ2 在吸积过程中，是什么决定了木星与其原行星盘之间的角动量分配？
• RQ3 哪些机制能够向原行星盘输送足够多的固体物质以形成伽利略卫星？
• RQ4 次原行星盘中湍流假设的不同如何影响卫星形成的 timescales 和生存能力？
• RQ5 在时间演化的盘中，由小行星体驱动的吸积能否解释伽利略卫星的观测轨道构型和成分？

主要发现

• 气体向木星的吸积分为三个阶段：缓慢积累、快速 runaway 增长和最终衰减，峰值光度和吸积率出现在约 2.5 Myr 之前。
• 在间隙打开之前，低比角动量气体流入形成一个紧凑而质量较大的原行星盘，其大小与伽利略卫星轨道相当。
• 间隙形成后，高比角动量气体流入导致盘更广延但质量更小，这是由于角动量约束所致。
• 原行星盘最初可能因行星与盘之间角动量均分而质量较大，但随着气体流入减弱而演化。
• 小行星体输送——通过碰撞磨损和引力捕获——很可能提供了卫星形成所需物质的大部分，而非被气体携带的尘埃。
• 存在两种可行的卫星生存路径：(1) 在衰减湍流环境中，大质量卫星打开间隙；(2) 在持续湍流环境中，通过碰撞处理。