[论文解读] On the formation of planetary systems in photoevaporating transition discs

Caroline Terquem|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用 4

一句话总结

本研究探讨了在光致蒸发过渡盘中行星系统的形成过程，重点关注在约2 au处由X射线驱动形成空隙的盘中，0.1 M⊕ 和 1 M⊕ 核心的迁移行为。研究发现，低质量核心在0.5–4 au范围内形成非共振的类地行星，而大质量核心可能保留在空隙之外，形成类似太阳系的系统；低毫米波 flux 的过渡盘更可能孕育宜居带内的类地质量行星，而非热超地球。

ABSTRACT

In protoplanetary discs, planetary cores must be at least 0.1 earth mass at 1 au for migration to be significant; this mass rises to 1 earth mass at 5 au. Planet formation models indicate that these cores form on million year timescales. We report here a study of the evolution of 0.1 earth mass and 1 earth mass cores, migrating from about 2 and 5 au respectively, in million year old photoevaporating discs. In such a disc, a gap opens up at around 2 au after a few million years. The inner region subsequently accrete onto the star on a smaller timescale. We find that, typically, the smallest cores form systems of non-resonant planets beyond 0.5 au with masses up to about 1.5 earth mass. In low mass discs, the same cores may evolve in situ. More massive cores form systems of a few earth masses planets. They migrate within the inner edge of the disc gap only in the most massive discs. Delivery of material to the inner parts of the disc ceases with opening of the gap. Interestingly, when the heavy cores do not migrate significantly, the type of systems that are produced resembles our solar system. This study suggests that low mm flux transition discs may not form systems of planets on short orbits but may instead harbour earth mass planets in the habitable zone.

研究动机与目标

• 理解在经历X射线光致蒸发的低毫米波 flux 过渡盘中，行星系统如何形成。
• 研究在空隙形成过程中，0.1 M⊕ 和 1 M⊕ 核心在演化盘中的迁移行为及其最终结构。
• 确定此类盘是否能形成类似太阳系的系统，或反而产生紧密排列的热超地球。
• 评估盘质量与光致蒸发在塑造行星系统结构中的作用。
• 评估低毫米波 flux 过渡盘中是否存在宜居带内的类地质量行星。

提出的方法

• 对在光致蒸发盘中核心迁移进行数值模拟，盘中在约2 au处由X射线驱动形成空隙。
• 初始条件包括在1–5 au处的0.1 M⊕ 核心，以及在5 au之外的1 M⊕ 核心，均在约1 Myr后形成。
• 盘演化包括黏性吸积和光致蒸发，表面密度随时间下降。
• 核心迁移采用Ⅰ型迁移模型，空隙形成后约3 Myr内停止向内流动。
• 模拟追踪核心间的相互作用、碰撞以及盘消散后的最终轨道构型。
• 结果与观测系统进行对比，特别是开普勒类热超地球和太阳系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低毫米波 flux 过渡盘中，0.1 M⊕ 核心是否能在0.5 au以外形成非共振的行星系统？
• RQ2 在何种盘条件下，1 M⊕ 核心会迁移进入内盘，或保留在空隙之外？
• RQ3 为何尽管核心形成率高，低毫米波 flux 过渡盘仍无法形成热超地球？
• RQ4 在光致蒸发盘中，太阳系的结构能在多大程度上被重现？
• RQ5 低毫米波 flux 过渡盘是否能孕育宜居带内的类地质量行星？

主要发现

• 0.1 M⊕ 核心通常在0.5–4 au范围内形成非共振的行星系统，质量最大可达1.5 M⊕，且无显著向内迁移。
• 在低质量盘中，这些核心可能原位演化，而非向内迁移。
• 1 M⊕ 核心形成由数颗类地质量行星组成的系统，但仅在最高质量的盘中才会迁移进入内盘。
• 当大质量核心未发生显著迁移时，形成的系统在结构和质量分布上与太阳系相似。
• 在空隙形成后，物质输送停止，因此低毫米波 flux 过渡盘在空隙形成前不太可能形成类木行星。
• 这些盘预计会孕育宜居带内的类地质量行星，与这类系统中缺乏短周期行星的观测结果一致。