[论文解读] Gravitoviscous protoplanetary disks with a dust component. I. The importance of the inner sub-au region

Eduard I. Vorobyov, Aleksandr M. Skliarevskii+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用 12

一句话总结

本研究提出一种“中心智能细胞”（CSC）模型，用于模拟引力黏性原行星盘未解析的内亚天文单位区域的质量输运。研究发现，通过CSC的缓慢质量输运导致更高质量、更温暖的盘，产生周期性吸积爆发，促进尘埃生长至分米量级，并在T Tauri阶段出现一种新的周期性碎片化模式，表明流体不稳定性与引力不稳定性共同驱动系外行星多样性。

ABSTRACT

The central region of a circumstellar disk is difficult to resolve in global numerical simulations of collapsing cloud cores, but its effect on the evolution of the entire disk can be significant. We use numerical hydrodynamics simulations to model the long-term evolution of self-gravitating and viscous circumstellar disks in the thin-disk limit. Simulations start from the gravitational collapse of prestellar cores of 0.5--1.0~$M_\odot$ and both gaseous and dusty subsystems were considered, including a model for dust growth. The inner unresolved 1.0 au of the disk is replaced with a central "smart" cell (CSC) -- a simplified model that simulates physical processes that may occur in this region. We found that the mass transport rate through the CSC has an appreciable effect on the evolution of the entire disk. Models with slow mass transport form more massive and warmer disks and they are more susceptible to gravitational instability and fragmentation, including a newly identified episodic mode of disk fragmentation in the T Tauri phase of disk evolution. Models with slow mass transport through the CSC feature episodic accretion and luminosity bursts in the early evolution, while models with fast transport are characterized by a steadily declining accretion rate with low-amplitude flickering. Dust grows to a larger, decimeter size in the slow transport models and efficiently drifts in the CSC, where it accumulates reaching the limit when streaming instability becomes operational. We argue that gravitational instability, together with streaming instability likely operating in the inner disk regions, constitute two concurrent planet-forming mechanisms, which may explain the observed diversity of exoplanetary orbits (Abridged).

研究动机与目标

• 研究未解析的内亚天文单位区域物理过程对自引力黏性原行星盘全局演化的影响。
• 解决标准吸积池在数值模拟中忽略关键内盘过程的局限性。
• 模拟不同质量输运速率通过内1.0 au区域对盘结构、吸积历史及行星形成潜力的影响。
• 探讨在不同吸积制度下，内盘尘埃生长与流体不稳定性的作用。
• 识别新的碎片化模式，并评估引力不稳定性与流体不稳定性之间在行星形成中的相互作用。

提出的方法

• 使用中心智能细胞（CSC）替代盘的未解析内1.0 au区域，模拟质量输运与吸积爆发，无需亚天文单位分辨率。
• CSC模型使用可调参数ξ控制质量输运效率：ξ = 5%（缓慢）至ξ = 95%（快速），代表不同的内盘黏性或死区特性。
• 数值流体动力学模拟研究0.5–1.0 M☉原恒星核形成自引力黏性盘的长期演化，包含耦合的气态与尘埃组分。
• 尘埃演化采用生长模型，追踪尘埃漂移以评估其在CSC中的累积情况及流体不稳定性发生的潜力。
• 通过泊松积分求解计算盘的自引力，假设磁旋转不稳定性（MRI）在整个盘中完全发展。
• 在CSC-盘界面应用平滑流入/流出边界条件，以确保气体与尘埃密度过渡的物理一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过内亚天文单位区域的质量输运速率如何影响自引力黏性原行星盘的全局结构与热演化？
• RQ2 缓慢与快速质量输运对中心原恒星吸积历史与光度演化有何影响？
• RQ3 当使用智能细胞建模时，内盘区域能否再现FU Orionis爆发特征的周期性吸积爆发？
• RQ4 CSC中尘埃生长与漂移如何影响尘埃面密度及流体不稳定性发生的潜力？
• RQ5 在T Tauri阶段，内盘中缓慢质量输运是否触发一种新的周期性盘碎片化模式？

主要发现

• 慢速输运模型（ξ = 5%）形成的盘比快速输运模型（ξ = 95%）更高质量、更温暖，这是由于气体在内区长时间累积所致。
• 在ξ = 5%模型中，尘埃生长极限达到分米量级粒子，显著大于快速输运情况下的尺寸。
• 在1–10 au区域，慢速输运模型中尘气质量比下降数倍，低于标准的1:100，这是由气体累积而非尘埃耗竭所致。
• 在ξ = 5%模型中，由于CSC中MRI触发的不稳定性，出现周期性吸积爆发；而ξ = 95%模型仅显示低幅度闪烁与持续下降的吸积。
• 在T Tauri阶段，慢速输运模型中识别出一种新的周期性盘碎片化模式，碎片质量在2–30 M_Jup之间，峰值位于4–6 M_Jup。
• 尘埃在CSC中累积最强烈，达到高面密度与斯托克斯数，表明在慢速输运条件下，流体不稳定性很可能在内盘中实际运行。