[论文解读] Spiral-driven accretion in protoplanetary discs - III tri-dimensional simulations

P. Hennebelle, Geoffroy Lesur+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 22, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 32被引用 11

一句话总结

本研究使用 RAMSES 代码进行三维流体动力学模拟，探讨周围分子云的外部吸积如何影响原行星盘的结构和角动量输运。研究发现，中等吸积率（≈3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹）可激发强烈的螺旋结构，并在内盘区域产生高达 5×10⁻³ 的 α-粘性参数，其中至少 50% 的吸积质量可到达内盘，表明外部吸积可能解释了过渡盘中观测到的螺旋图案。

ABSTRACT

Understanding how accretion proceeds in proto-planetary discs and more generally their dynamics is a crucial issue for explaining the conditions in which planets form. The role that accretion of gas from the surrounding molecular cloud onto the disc may have on its structure needs to be quantified. We perform tri-dimensional simulations using the Cartesian AMR code RAMSES of an accretion disc subject to infalling material. For the aspect ratio of $H/R \simeq 0.15$ and disk mass $M_d \simeq 10^{-2}$ M$_\odot$ used in our study, we find that for typical accretion rates on the order of a few 10$^{-7}$ M$_\odot$ yr$^{-1}$, values of the $α$ parameter as high as a few 10$^{-3}$ are inferred. The mass that is accreted in the inner part of the disc is typically at least $50\%$ of the total mass that has been accreted onto the disc. Our results suggest that external accretion of gas at moderate values, onto circumstellar discs may trigger prominent spiral arms, reminiscent of recent observations made with various instruments, and lead to significant transport through the disc. If confirmed from observational studies, such accretion may therefore influence disc evolution.

研究动机与目标

• 量化外部气体吸积对原行星盘结构及角动量输运的影响。
• 探究来自母分子云的吸积是否可在低质量盘中驱动显著的吸积与螺旋结构形成。
• 确定三维动力学相较于二维模型在增强角动量输运中的作用。
• 评估下落气体的几何构型与角动量如何影响盘的演化及螺旋图案的形成。
• 将模拟结果与近期对过渡盘中螺旋结构的观测进行比较，检验这些结构是否可能由吸积而非行星引发。

提出的方法

• 使用笛卡尔自适应网格加密（AMR）代码 RAMSES 进行三维流体动力学模拟。
• 模拟质量为 Md ≈ 10⁻² M⊙、标高比 H/R ≈ 0.15 的原恒星盘，外部吸积率约为 10⁻⁷ 至 4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹。
• 忽略磁场和自引力作用，以隔离下落气体对盘动力学的流体动力学影响。
• 采用三维笛卡尔网格结合自适应网格加密，以解析盘中激波与螺旋结构。
• 通过盘中应力与压强计算 α-粘性参数，区分二维平均值与三维贡献。
• 改变吸积几何构型与角动量，评估其对螺旋形成与输运效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等吸积率下，外部吸积能否产生与其它机制相当或更高的 α-粘性参数？
• RQ2 与二维赤道面吸积相比，来自盘面之上和之下的三维吸积在增强角动量输运方面有多大优势？
• RQ3 实际有多少吸积质量可抵达内盘，其中又有多少比例被向内输运？
• RQ4 下落气体的角动量在塑造盘内螺旋结构方面起什么作用？
• RQ5 过渡盘中观测到的螺旋图案是否可由外部吸积解释，而非行星引发的螺旋波？

主要发现

• 在吸积率 ≈3–4×10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹ 时，内盘区域（r ≈ 0.05–0.1 R_d）的 α-粘性参数可高达 5×10⁻³，显著高于孤立盘中的值。
• 在盘外缘，α 值可达到 10⁻¹，表明在大半径区域存在强烈的输运。
• 约 50% 的总吸积质量被输运至内盘（r < 0.5 R_d），尽管盘边界定义尚不精确。
• 在内盘区域，应力的三维分量（α_z）与二维平均分量（α_2D）量级相当，表明垂直动力学显著增强了输运。
• 螺旋结构主要由下落气体的运动学驱动，流线在进入激波前与径向方向成约 45° 至 60° 角度。
• 角动量较低的下落气体可产生更显著且更持久的螺旋图案，表明此类流场可能模拟或解释过渡盘中观测到的螺旋结构。