[论文解读] Radial Distribution of Planets. Predictions based on the Core Accretion Gas Capture Planet formation Model

K. Kornet, S. Wolf|ArXiv.org|Jan 10, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用 8

一句话总结

本文通过核心吸积气体捕获形成机制，对类木行星的径向分布进行建模，自洽地追踪固体颗粒演化为星子，并整合了II型迁移和间隙打开后的质量增长。关键结果表明，在质量较小的恒星周围，类木行星在给定位置的质量更小，且形成位置更靠近恒星；同时，包含迁移和持续吸积后，从行星分布重建原始气态盘结构变得极为困难。

ABSTRACT

We have investigated the problem of the distribution of both masses and orbital radii of planets resulting from the gas-accretion, gas-capture model. First we followed the evolution of gas and solids from the moment where all solids are in the form of small grains to the stage when most of them are in the form of planetesimals for a set of different initial masses and sizes of protoplanetary disks. Based on that we performed Monte Carlo calculations describing the formation of giant places at different locations. We included the effects of type II migration and growth of the mass of the planet after the gap opened. We discuss how these effects influence the final distribution of giant planets. We show that when the giant planets are not able to migrate or grow in mass after the gap opens, their distribution is mainly determined by the properties of the gaseous disk. However, with those two effects included, reproducing the parameters of the gaseous disks from the distribution of planets becomes difficult. We also checked the roles of both the material of which the solids consist and the mass of the central star. The main result is that, in disks around less massive stars, giant planets at the given location tend to be less massive. At the same time, the giant planets with the given mass tend to form closer to the less massive stars.

研究动机与目标

• 理解核心吸积气体捕获模型如何导致类木行星的径向分布形成。
• 研究固体演化（从颗粒到星子）如何影响类木行星的最终质量和轨道位置。
• 评估II型迁移和间隙打开后的质量增长对行星分布的影响。
• 确定是否可利用观测到的类木行星分布来推断原始气态盘的性质。

提出的方法

• 将原行星盘建模为两相流体：气体（通过黏滞α盘模型）和固体。
• 利用凝聚、沉降和气体阻力效应，模拟固体从微小颗粒到星子的演化过程。
• 通过蒙特卡洛模拟，在不同盘位置建模行星形成，基于自洽计算的星子面密度。
• 在行星形成模型中引入II型迁移和间隙打开后的质量增长。
• 改变初始盘参数（如总质量、尺寸和中心星质量），以评估其对行星结果的影响。
• 将模型预测与观测到的行星分布进行比较，以评估从行星数据反推盘性质的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 固体从颗粒到星子的自洽演化如何影响类木行星的最终质量和轨道分布？
• RQ2 II型迁移在多大程度上改变了通过核心吸积形成的类木行星的最终轨道位置？
• RQ3 间隙打开后的持续质量增长如何影响行星质量与轨道半径之间的相关性？
• RQ4 能否可靠地从观测到的类木行星分布推断出原始气态盘的性质（如标高、面密度）？
• RQ5 中心星质量如何影响该模型中类木行星的形成位置和最终质量？

主要发现

• 在质量较小的恒星周围，类木行星在给定轨道距离处的质量通常更小，这是由于盘温度较低，气体吸积率减小所致。
• 对于给定质量的类木行星，其在质量较小的恒星周围更靠近恒星形成，因为在低质量恒星系统中，达到快速气体吸积所需的关键核心质量的半径更小。
• 当引入迁移和间隙打开后的质量增长后，从行星分布重建原始气态盘结构变得高度不确定，因为这些过程使最终行星位置与初始盘条件脱钩。
• 如果发生显著的间隙打开后质量增长，行星质量与轨道距离之间的相关性可能反转，即在外围形成的行星可能向内迁移并变得更为巨大。
• 该模型表明，若假设行星形成时气体面密度为恒定比例，则无法形成类木行星，凸显了自洽固体演化的重要性。
• 与Ida & Lin (2004a) 和 Alibert et al. (2005) 的差异部分源于盘结构的不同，特别是H/r的径向依赖性，这影响了间隙打开，从而影响行星质量和迁移。