[论文解读] The dispersal of protoplanetary discs -- III: Influence of stellar mass on disc photoevaporation

Giovanni Picogna, Barbara Ercolano+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 47被引用 62

一句话总结

本研究模拟了低质量恒星（0.1–1 M⊙）周围原行星盘中的X射线光致蒸发，表明由于盘面高宽比和X射线穿透深度的变化，质量损失率与恒星质量呈线性关系。模型成功再现了观测到的由内而外的盘消散趋势，低质量恒星的内盘寿命更短，证实X射线光致蒸发是晚期盘演化中的主导消散机制。

ABSTRACT

The strong X-ray irradiation from young solar-type stars may play a crucial role in the thermodynamics and chemistry of circumstellar discs, driving their evolution in the last stages of disc dispersal as well as shaping the atmospheres of newborn planets. In this paper we study the influence of stellar mass on circumstellar disc mass-loss rates due to X-ray irradiation, extending our previous study of the mass-loss rate's dependence on the X-ray luminosity and spectrum hardness. We focus on stars with masses between 0.1 and 1 Solar mass, which are the main target of current and future missions to find potentially habitable planets. We find a linear relationship between the mass-loss rates and the stellar masses when changing the X-ray luminosity accordingly with the stellar mass. This linear increase is observed also when the X-ray luminosity is kept fixed because of the lower disc aspect ratio which allows the X-ray irradiation to reach larger radii. We provide new analytical relations for the mass-loss rates and profiles of photoevaporative winds as a function of the stellar mass that can be used in disc and planet population synthesis models. Our photoevaporative models correctly predict the observed trend of inner-disc lifetime as a function of stellar mass with an increased steepness for stars smaller than 0.3 Solar mass, indicating that X-ray photoevaporation is a good candidate to explain the observed disc dispersal process.

研究动机与目标

• 研究恒星质量如何影响原行星盘中X射线驱动的光致蒸发质量损失。
• 确定X射线光致蒸发是否能解释低质量恒星内盘寿命更短的观测趋势。
• 推导质量损失率和风速分布的解析关系式，作为恒星质量的函数，以供群体合成模型使用。
• 检验光致蒸发模型在年轻星协（如λ Ori）观测约束下的鲁棒性。
• 通过引入与恒星质量相关的盘结构和辐照效应，提升盘演化模型的物理保真度。

提出的方法

• 使用改进的PLUTO代码在球坐标系中进行流体动力学模拟，径向空间分辨率高（500个单元），并在风启动区域附近采用极角加密。
• 初始盘结构基于DIAD辐射转移模型，假设恒星年龄为1 Myr，金属丰度Z = 0.02，且无过冲。
• X射线辐照通过恒星X射线光度与质量的关系建模：log10(L_X) = 1.54 log10(M★) + 30.31，依据Güdel等人（2007）的研究。
• 利用MOCCaSS代码计算盘表面的温度分布，考虑X射线加热和电离参数ξ = L_X / (n r²)的影响。
• 系统演化数个轨道周期后达到稳态风解，质量损失率通过累积流出物质测量。
• 针对不同恒星质量（0.1–1 M⊙）推导出表面质量损失率分布的解析拟合函数，便于在群体合成代码中直接应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星质量如何影响原行星盘中X射线驱动的光致蒸发速率？
• RQ2 盘面高宽比在不同恒星质量下如何调节X射线穿透深度和风效率？
• RQ3 X射线光致蒸发是否足以解释恒星质量减小导致内盘寿命缩短的观测趋势？
• RQ4 质量损失率和风速分布如何随恒星质量变化？能否用解析关系式描述？
• RQ5 模型预测在多大程度上与λ Ori等年轻星协中的观测盘分数一致？

主要发现

• 当X射线光度按观测到的L_X ∝ M★^1.54关系缩放时，X射线光致蒸发导致的累积质量损失率与恒星质量呈线性关系。
• 在X射线光度固定的情况下，质量损失率仍随恒星质量减小而增加，这是由于盘面高宽比更平缓，使X射线穿透更深，从而增强风的形成。
• 风的声速面温度与恒星质量呈线性关系，表明恒星输出与盘风能量学之间存在直接的热耦合。
• 模型再现了内盘寿命随恒星质量增加而延长的观测趋势，且在质量低于0.3 M⊙的恒星中下降更陡峭，与λ Ori的观测数据一致。
• 表2提供了表面质量损失率分布的解析拟合函数，可直接用于盘和系外行星群体合成模型。
• 初始盘质量按0.14 M★线性缩放的模型与λ Ori中观测到的盘分数最为吻合，优于以往采用固定或次线性缩放的模型。