[论文解读] Inside-out planet formation: VI. oligarchic coagulation of planetesimals from a pebble ring?

Maxwell Xu Cai, Jonathan C. Tan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astro and Planetary Science参考文献 33被引用 7

一句话总结

本研究通过直接N体模拟，调查了在内向行星形成（IOPF）模型中，死区内边界（DZIB）处的尘埃环如何形成星子。结果表明，寡头生长始终产生2–3颗大质量行星，其中主导主星占总质量的70%，次级行星占30–65%，与观测到的STIP内层行星对的特征不符，挑战了IOPF理论的可行性，除非引入额外物理解释以抑制次级行星的生长。

ABSTRACT

Inside-Out Planet Formation (IOPF) is a theory addressing the origin of Systems of Tightly-Packed Inner Planets (STIPs) via in situ formation and growth of the planets. It predicts that a pebble ring is established at the pressure maximum associated with the dead zone inner boundary (DZIB) with an inner disc magnetorotational instability (MRI)-active region. Using direct N-body simulations, we study the collisional evolution of planetesimals formed from such a pebble ring, in particular, examining whether a single dominant planet emerges. We consider a variety of models, including some in which the planetesimals are continuing to grow via pebble accretion. We find that the planetesimal ring undergoes oligarchic evolution, and typically turns into 2 or 3 surviving oligarchs on nearly coplanar and circular orbits, independent of the explored initial conditions or form of pebble accretion. The most massive oligarchs typically consist of about $70{{\ m per\ cent}}$ of the total mass, with the building-up process typically finishing within ~10<SUP>5</SUP> yr. However, a relatively massive secondary planet always remains with $\sim 30\!-\!65{{\ m per\ cent}}$ of the mass of the primary. Such secondary planets have properties that are inconsistent with the observed properties of the innermost pairs of planets in STIPs. Thus, for IOPF to be a viable theory for STIP formation, it needs to be shown how oligarchic growth of a relatively massive secondary from the initial pebble ring can be avoided. We discuss some potential additional physical processes that should be included in the modelling and explored as next steps.

研究动机与目标

• 检验在内向行星形成（IOPF）模型中，死区内边界（DZIB）处的尘埃环是否可通过星子凝聚形成单一主导行星。
• 评估由尘埃形成的星子经历的寡头生长是否导致单一巨大行星，或产生多个幸存行星。
• 评估模拟结果是否与紧密排列内行星（STIPs）的观测特性一致，特别是内层行星对的特性。
• 识别当前模型中缺失的物理过程，这些过程可能抑制巨大次级行星的形成。

提出的方法

• 对总质量为1 M⊕的星子环进行直接N体模拟，使用100颗初始质量分布不同的星子（等质量与幂律分布，k = −2）。
• 初始条件设定为瑞利分布的偏心率与倾角（⟨e²⟩¹ᐟ² = ⟨i²⟩¹ᐟ² = 0.02），环宽W ≈ 0.03 AU。
• 模拟约1 Myr的碰撞演化过程，包括持续尘埃吸积与不吸积的两种情形。
• 采用基准星子密度2 g cm⁻³，并测试4 g cm⁻³以验证结果的稳健性。
• 每种模型运行20组独立模拟，使用不同随机种子以考虑混沌动力学的影响。
• 通过轨道周期比（P2/P1）、归一化轨道间距（φ∆r）和质量–半长轴标度指数（kM）将模拟结果与观测STIP特性进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 由DZIB处尘埃环形成的星子环是否可通过寡头生长演化为单一主导行星？
• RQ2 在约1 Myr的碰撞演化后，幸存行星的典型数量与质量分布如何？
• RQ3 初始条件（质量分布、环宽）与尘埃吸积如何影响最终行星系统的结构？
• RQ4 模拟得到的内层行星对的轨道与质量特性是否与观测到的STIPs一致？
• RQ5 在IOPF框架中，哪些物理过程可能抑制巨大次级行星的形成？

主要发现

• 所有模拟在约10⁵年后均产生2–3颗幸存的寡头行星，无论初始条件或是否包含尘埃吸积。
• 最重的寡头通常包含约70%的初始总质量，而第二重的寡头则保留主星质量的30–65%。
• 幸存行星对的轨道周期比（P2/P1）集中在1.1–1.4之间，仅有少量被捕获在低阶共振（如9/7或3/2）中。
• 模拟系统表现出更窄的kM范围和更集中的φ∆r分布，与观测到的STIPs相比差异显著。
• 观测到的STIP内层行星对的特性，包括更宽的P2/P1和φ∆r分布，与模拟结果不一致，表明与观测存在明显偏差。
• 持续形成巨大次级行星挑战了IOPF的核心假设，即每圈尘埃仅形成一颗主导行星，因此必须进一步建模额外物理过程，如行星-盘相互作用或渐进式星子形成。