[论文解读] Theory of planet formation

C. Mordasini, Hubert Klahr+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 9被引用 15

一句话总结

本文提出了一套从尘埃聚集到通过核心吸积和气体快速增长形成类木行星的顺序理论框架。研究识别出冰线之外2–7 AU的区域是类木行星形成的最佳区域，尤其是在金属丰度较高的原行星盘中；并表明，早期的高气体吸积率可导致年轻类木行星在最初数百万年内于6–7 AU处表现出显著的亮度，从而可被探测到。

ABSTRACT

We review the current theoretical understanding how growth from micro-meter sized dust to massive giant planets occurs in disks around young stars. After introducing a number of observational constraints from the solar system, from observed protoplanetary disks, and from the extrasolar planets, we simplify the problem by dividing it into a number of discrete stages which are assumed to occur in a sequential way. In the first stage - the growth from dust to kilometer sized planetesimals - the aerodynamics of the bodies are of central importance. We discuss both a purely coagulative growth mode, as well as a gravoturbulent mode involving a gravitational instability of the dust. In the next stage, planetesimals grow to protoplanets of roughly 1000 km in size. Gravity is now the dominant force. The mass accretion can be strongly non-linear, leading to the detachment of a few big bodies from the remaining planetesimals. In the outer planetary system (outside a few AU), some of these bodies can become so massive that they eventually accrete a large gaseous envelope. This is the stage of giant planet formation, as understood within the core accretion-gas capture paradigm. We also discuss the direct gravitational collapse model where giant planets are thought to form directly via a gravitational fragmentation of the gas disk. In the inner system, protoplanets collide in the last stage - probably after the dispersal of the gaseous disk - in giant impacts until the separations between the remaining terrestrial planets become large enough to allow long term stability. We finish the review with some selected questions.

研究动机与目标

• 综合当前关于从尘埃到类木行星的行星形成理论理解。
• 识别控制原行星盘中行星形成的关键物理机制与阶段。
• 考察盘体性质（尤其是金属丰度与冰线位置）在决定类木行星形成位置与方式中的作用。
• 评估来自太阳系、原行星盘及系外行星的观测约束对理论模型的影响。
• 探讨年轻类木行星的亮度演化及其在早期盘阶段的可探测性。

提出的方法

• 将行星形成划分为连续阶段：尘埃生长为星子、星子吸积形成原行星、核心吸积伴随气体快速增长。
• 使用解析与数值模型模拟星子形成阶段中尘埃层的聚集与引力不稳定性。
• 应用双体引力吸积模型模拟原行星从星子中生长的过程，包含大质量天体的非线性脱离。
• 采用核心吸积-气体捕获模型模拟类木行星形成，对盘体金属丰度与冰线位置保持敏感性。
• 使用收缩模型模拟行星亮度随时间的演化，追踪亮度与质量及轨道距离的关系。
• 通过合成行星种群分析，预测在距离-亮度空间中的可探测性，尤其关注1 Myr与10 Myr时的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 类木行星最可能在原行星盘的哪个区域形成？其形成位置如何依赖于盘体金属丰度？
• RQ2 何种物理条件可促成早期高气体吸积率，从而产生亮度显著的年轻类木行星？
• RQ3 轨道迁移如何影响系外行星观测到的半长轴分布？
• RQ4 年轻类木行星的亮度如何随时间演化？它们在最初数百万年内可被探测到的程度如何？
• RQ5 盘体性质（如冰线位置与固体面密度分布）在多大程度上会体现在最终行星系统的结构中？

主要发现

• 类木行星最可能在冰线之外的区域形成，通常位于距离类太阳恒星2–7 AU处，最优形成区位于冰线外几AU的位置。
• 在低金属丰度与中等金属丰度盘中，类木行星主要形成于冰线之外；而在高金属丰度盘中，冰线之内也可能发生形成。
• 在最初1 Myr内，年轻类木行星在6–7 AU处的亮度可达最高0.06 L⊙，这主要由富含固体的盘中高气体吸积率驱动。
• 类木行星的亮度在10 Myr内下降数个数量级，最亮的天体通常质量接近30 MJup。
• 观测到的系外行星频率在约1 AU处的上升趋势，可能是行星形成始于冰线附近并随后向内迁移的直接结果。
• 当前模型未包含向外迁移，可能导致大半长轴处类木行星数量被低估，从而影响可探测性预测。