アルマリングにおけるペブル集積による効率的な惑星形成

アルマリングにおけるペブル集積による効率的な惑星形成
2022年7月26日
概要
過去10年間で、ALMAの観測により、原始惑星系円盤の大部分が塵の連続体中にリングを含んでいることが明らかになりました。
これらのリングは小石が蓄積する場所であり、微惑星の形成とその後に有益です。
惑星アセンブリ。小石がいずれかによってトラップされているALMAリング内の惑星形成の実行可能性を調査します。
ガウス形状の圧力バンプまたは強いダスト逆反応による。微惑星はストリーミングを介してリングのミッドプレーンで形成されます
不安定。 N体シミュレーションを実施することにより、衝突合併と小石によるこれらの微惑星の成長を研究します
降着。リング内の小石の高濃度のおかげで、小石の付着による微惑星の成長は次のようになります。
彼らが生まれるとすぐに効率的です。タイプIの移動は、リングと惑星の進化において決定的な役割を果たしていることがわかります。為に
惑星がリングから内側に移動できるディスクでは、リングが約20𝑀⊕惑星コアを生成する定常状態に到達します。
リングに外側のディスクからの材料が供給されている限り。リングは長寿命の惑星工場として機能し、それは説明することができます
DSHARP大規模プログラムで観測されたダストリングの「微調整された」光学的厚さ。対照的に、惑星がない場合
除去メカニズム（移動）、単一の巨大な惑星が形成され、リングを破壊します。広くて巨大な微惑星
ベルトは惑星形成リングの位置に残されます。リングの惑星形成は成熟した惑星系を説明するかもしれません
デブリディスクの内部で観察されます。
キーワード：原始惑星系円盤–星周円盤–惑星と衛星：形成–サブミリ波：惑星系

図1.塊状のリングモデル（左）と圧力バンプによって引き起こされたリング（右）の違いを示すスケッチ。 不器用なリングは
ほこりの逆反応が小石の半径方向のドリフトを遅くするため、小石は強い堆積を経験します。 小石のスケールの高さは、
CRモデルのリング位置でのケルビン・ヘルムホルツ不安定性。ただし、小石はPB誘起リングのガスと十分に結合しています。 小石はまだ漏れる可能性があります
塊状のリングから内側のディスクまで（𝑀¤リーク）。 対照的に、圧力バンプが内側のディスクから小石を完全にろ過すると仮定します。


図2.𝑓bkg係数の動径分布（オレンジ色の線）。 赤オレンジの線
リングの面密度の半径方向のプロファイルを示します。 2つの分離
隣接する青い破線は𝑤ringです。


図3.デフォルトモデルの原始惑星の軌道（実線）。 The
実線の色は原始惑星の傾きに対応しています。
線幅は惑星の質量に比例します。 シアンの背景
背景の微惑星密度を示しています（を除く他の微惑星
これらの原始惑星）。 2本の灰色の縦線は、の𝑟0±𝑤リング幅を示しています
リング。 水平線は、進化の3つのフェーズを分離します。を参照してください。メインテキスト。


図4.原始惑星の質量の関数としてのペブル集積と移動のタイムスケール。 濃い青色の線は、測定された成長タイムスケールを表します
の内側のドメイン境界に到達する最初の惑星の𝑚/¤𝑚
cr-tdefault実行。 薄茶色の線は、タイプIの移行を示します
リングを通過するタイムスケール𝑤ring/𝑟0×𝑡mg。 水色、オレンジ、緑
線は、2D、3D、および結合された小石の分析計算を示します
降着タイムスケール𝑚/𝑀¤
PA、面密度がatの面密度と等しいと仮定
リングピーク（式（17）および式（18））。 リングの質量は増加していますが、
最初の惑星は成長しており、最初はペブル集積の成長を減少させます
タイムスケール。 1𝑀⊕前後の成長タイムスケールの大幅な落ち込みは、衝突合併を記録しています。 黒い縦線は、フェーズIからフェーズIへの移行を示しています。フェーズII。


図5.上：すべての微惑星のペブル集積フラックスの合計（青い線）。 The
緑の領域は、まだ内部にある最も重い体からの寄与を示しています
シミュレーションボックス（𝑟inを超えて）。 中：からの貢献の割合
ペブル集積質量流束全体の中で最も重い物体。 下：
リングの質量（青）とかつて最も多かった惑星の質量
巨大な体（色）。 惑星が内側の境界を越えて移動するとき
シミュレーションボックスの行は終了します。 2.5Myrの垂直線は
2つの惑星間の衝突。 進化は3つのフェーズに分けることができます。
メインテキストを参照してください。


図6.のさまざまなコンポーネントのマスバジェットの進化
デフォルトモデル。 青い領域はリングの質量を示しています。 茶色の領域は
ストリーミング不安定性によって形成された微惑星の蓄積された質量。
小石の降着によって微惑星と原始惑星に降着した質量
リングから（オレンジ）および拡張されたスムーズディスクコンポーネントから（赤）
上に積み重ねられます。 破線の領域は、惑星の蓄積された質量を示しています
これまでリング内で最大の惑星でした。 灰色の水平線
𝑍=1に対応するリングの質量をマークします。緑色の破線は
リングに供給される蓄積された質量、𝑀¤
ネット𝑡。 スタック値は少し高いです
𝑀¤より下流の惑星の降着によるnet𝑡。


図7.図6と同じですが、pb-defaultを実行します。 進化は似ています
塊状のリングと圧力バンプで支えられたリングの間。 大きい
微惑星の形成を開始するには、𝑍=1に到達するために初期リング質量が必要です。
それでも、リングの中央面のダスト対ガス比は、進化、微惑星の形成を妨げる。

5。結論
リングは、小石が蓄積して微惑星の形成を助長する条件を作り出すために、ダストとガスの比率を高める場所です。
そしてさらに惑星の組み立て。リングには2つのデザインを検討しました。
1つは堅牢な空力逆反応によってサポートされる塊状リング（CR）であり、もう1つは特徴的な圧力バンプ（BP）リングです。
ガウスプロファイルの圧力バンプ。どちらのデザインも再現できます
（サブ）ミリメートルの連続体におけるALMAによる観測。我々は持っています
これらの巨大な小石で形成された微惑星の成長に続いて
N体シミュレーションによるリング。タイプIの移行は、
リングの進化。主な調査結果は次のとおりです。
（i）小石の輪は惑星形成全般にとって理想的な場所です
通常制限する拘束条件としての軌道距離
小石の付着はもはや適用されません。小石の高濃度
リング内の低い向かい風速度はペブル集積をレンダリングします
非常に効率的です。
（ii）したがって、我々の結果は、初期の微惑星の質量にほとんど依存しません。質量が下がっている微惑星をテストします
セレスはすぐに効果的なペブル集積を享受しますが、結論は一般的に初期質量を下げるために拡張することができます。
（iii）距離74.3auおよび外部質量流束100𝑀⊕Myr-1
、〜10𝑀⊕惑星はリングの内側で形成された微惑星から0.5Myr以内に成長します。
（iv）リング内の惑星形成は、リングを支持するメカニズム（空気力学的に支持された塊状リングモデルまたは圧力バンプによって誘発される）とは無関係に、同様の特性を示します。のために
CRモデルでは、微惑星の形成をトリガーするために必要な質量は、スケールの高さが小さいため比較的控えめですが、PBリングの場合はこれが
小石のスケールの高さ（𝛿𝑧 / St）に依存し、高くなる可能性があります。
（v）タイプIの内部移行が全体で機能するディスクの場合
リング、惑星は、に達した後、小石のリングから離れて移動します
〜20𝑀⊕の典型的な質量（式（32））。外部条件が残る場合
同様に、プロセスが繰り返され、リングは新しい惑星を生み出します。
（vi）リングの質量は、小石の付着と外部供給。リングの質量は
通常、74.3 auで約30𝑀⊕（式（34））、
ALMAで観察された環状リング。
（vii）より大きな軌道半径での惑星形成リングはより質量が大きい。
それでも、原始惑星の質量は場所にわずかに依存します
リングの。式（35）は、観測値と観測値の関係を示しています。
リングの質量と内部で形成される可能性のある典型的な惑星のコアの質量
リング。
（viii）一方、タイプIの移行が行われるディスクの場合
非効率的または惑星が閉じ込められているリング、単一の大きな惑星は
出現し、小石の付着によってリングを消費します。そのような状況では、
ALMA画像でリングとして表示されるウィンドウは次のようになります。
（.1 Myr）より短い。
（ix）惑星がリングから離れて移動した後、その成長は
小石の付着は急速に低下します。 CR設計では、惑星はまだ
下流の小石の質量流束から成長し、それが考えられます
これらの惑星が出た後、暴走するガスの降着を引き起こすこと
リング領域。
（x）残りの微惑星帯は寒さの候補です
デブリディスク。形成された惑星、放射状によって散在または羊飼い
微惑星帯のプロファイルは、急勾配の非対称性を示しています
その内側でより近くに上昇し、に向かってより緩やかに下降します
外部領域–観察できる可能性のある機能。
（xi）（sub））ミリメートルの光学的厚さ
微惑星形成リングは約0.4であり、依存性は最小限です。
ディスクと小石の特性について（式（41））。この結論は一致しています
ディスクがわずかに光学的に厚いという観察結果があります（Dullemond et al.2018; Stammler et al.2019を参照）。
リングと惑星の役割は、古典的な「鶏が先か卵が先か」を思い起こさせます
ジレンマ。私たちのモデルによると、原始惑星系円盤の巨大なリングは産卵鶏の役割を果たします。私たちのモデル
惑星と惑星の間の接続に関する別の見方を提供します
惑星がリングの形成を誘発する主流モデルよりもリング。
これは、第一世代がどのように鳴るのかという未解決の問題を残します
形。ディスクのプロパティは非常に多様であるため、リングが鳴る可能性があります
ALMAで観測されたのは、焼結（Okuzumi et al。2016）、経年重力不安定性（Tominaga et al。2019）、小石の凝固前線（Ohashi et al。2021）などのさまざまなメカニズムに起因します。
異方性の落下（Kuznetsova et al.2022）。そのような原始的なリング
第一世代の惑星の発祥の地になることができます。
ディスクをスカルプトして、新しいリングを生成する可能性があります。
惑星が小石の輪の中に形成されてから移動するモデル
内向きには、複数を含む特定のシステムを説明する可能性があります
若い原始惑星系円盤と破片円盤の巨大惑星。このモデルの現実的な惑星の形成履歴への適用
建築はフォローアップ作業で実施されます。