Влияние вспышек светимости на содержание гальки и ледяных мантий в протопланетном диске

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рост пыли — один из ключевых процессов, приводящих к формированию планет в протопланетных дисках. Пыль сантиметровых размеров — галька — необходима для формирования планетезималей в результате потоковой неустойчивости, и играет важную роль в формировании протопланетных ядер и планет-гигантов, а также в обогащении их атмосфер химическими элементами. В работе исследовано влияние вспышек светимости на содержание гальки и ледяных мантий в протопланетном диске. Проведено глобальное моделирование формирования и эволюции самогравитирующего вязкого протопланетного диска с использованием двумерного гидродинамического кода в приближении тонкого диска FEOSAD, который позволяет самосогласованно воспроизводить вспышки светимости. Модель включает в себя тепловой баланс, эволюцию пыли и ее взаимодействие с газом, развитие магниторотационной неустойчивости, адсорбцию и десорбцию четырех летучих соединений (H2O, CO2, CH4 и CO), и влияние ледяных мантий на фрагментационные свойства пыли. Показано, что вспышки светимости сильнее влияют на положения линий льдов CO2, CH4 и CO, чем на линии льдов воды. Это связано с тем, что линия льдов H2O попадает в область доминирования вязкого нагрева на ранних стадиях эволюции диска, в то время как линии льдов других молекул находятся в области доминирования нагрева излучением звезды и, следовательно, более чувствительны к изменению температуры вследствие вспышки. Тем не менее вспышки светимости приводят к снижению полного количества гальки в диске вдвое из-за распада пыли на мономеры в результате потери водяных льдов, связующих агрегаты в единое целое. Восстановление гальки происходит в течение нескольких тысяч лет после завершения вспышки благодаря столкновительной коагуляции, при этом временны́е характеристики восстановления значительно превышают времена замерзания воды. Десорбция ледяных мантий происходит в существенно двумерной области диска сложной неосесимметричной формы, что связано с образованием спиралевидных субструктур на ранних стадиях эволюции гравитационно неустойчивого диска.

Об авторах

А. П. Топчиева

Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук Институт астрономии

Email: ATopchieva@inasan.ru
Москва, Россия

Т. С. Молярова

Научно-исследовательский институт физики, Южный Федеральный Университет

Ростов-на-Дону, Россия

Э. И. Воробьев

Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук Институт астрономии; Научно-исследовательский институт физики, Южный Федеральный Университет

Москва, Россия; Ростов-на-Дону, Россия

Список литературы

  1. A. Morbidelli, M. Lambrechts, S. Jacobson, and B. Bitsch, Icarus 258, 418 (2015), arXiv:1506.01666 [astro-ph.EP].
  2. A. Johansen and M. Lambrechts, Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 45(1), 359 (2017).
  3. A.N. Youdin and J. Goodman, 620(1), 459 (2005), arXiv:astro-ph/0409263.
  4. D. Carrera, A. Johansen, and M.B. Davies, Astron. and Astrophys. 579, id. A43 (2015), arXiv:1501.05314 [astro-ph.EP].
  5. L. Testi, T. Birnstiel, L. Ricci, S. Andrews, et al., in Protostars and Planets VI, edited by H. Beuther, R.S. Klessen, C.P. Dullemond, and T. Henning (Tucson: University of Arizona Press, 2014), p. 339, arXiv:1402.1354 [astro-ph.SR].
  6. G. Wurm, G. Paraskov, and O. Krauss, Phys. Rev. E 71(2), id. 021304 (2005).
  7. J. Blum and G. Wurm, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 46, 21 (2008).
  8. T. Steinpilz, J. Teiser, and G. Wurm, 874(1), id. 60 (2019), arXiv:1905.11864 [astro-ph.EP].
  9. C. Pillich, T. Bogdan, J. Landers, G. Wurm, and H. Wende, Astron. and Astrophys. 652, id. A106 (2021), arXiv:2108.08034 [astro-ph.EP].
  10. V.G. Elbakyan, A. Johansen, M. Lambrechts, V. Akimkin, and E.I. Vorobyov, Astron. and Astrophys. 637, id. A5 (2020), arXiv:2004.00126 [astro-ph.EP].
  11. E.I. Vorobyov, V.G. Elbakyan, A. Johansen, M. Lambrechts, A.M. Skliarevskii, and O.P. Stoyanovskaya, Astron. and Astrophys. 670, id. A81 (2023), arXiv:2212.01023 [astro-ph.EP].
  12. K. Wada, H. Tanaka, T. Suyama, H. Kimura, and T. Yamamoto, 702(2), 1490 (2009).
  13. B. Gundlach and J. Blum, 798(1), id. 34 (2015), arXiv:1410.7199 [astro-ph.EP].
  14. S. Okuzumi, M. Momose, S.-i. Sirono, H. Kobayashi, and H. Tanaka, 821(2), id. 82 (2016), arXiv:1510.03556 [astro-ph.SR].
  15. S.J. Weidenschilling, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 180, 57 (1977).
  16. S.-i. Sirono, 735(2), id. 131 (2011).
  17. L.A. Cieza, S. Casassus, J. Tobin, S.P. Bos, et al., Nature (London) 535(7611), 258 (2016), arXiv:1607.03757 [astro-ph.SR].
  18. C. Rab, V. Elbakyan, E. Vorobyov, M. Güdel, et al., Astron. and Astrophys. 604, id. A15 (2017), arXiv:1705.03946 [astro-ph.SR].
  19. E.I. Vorobyov, A.M. Skliarevskii, T. Molyarova, V. Akimkin, et al., Astron. and Astrophys. 658, id. A191 (2022), arXiv:2112.06004 [astro-ph.EP].
  20. A. Houge and S. Krijt, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 521(4), 5826 (2023), arXiv:2303.11318 [astro-ph.EP].
  21. A. Topchieva, T. Molyarova, V. Akimkin, L. Maksimova, and E. Vorobyov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 530(3), 2731 (2024), arXiv:2403.02895 [astro-ph.EP].
  22. D. Schoonenberg and C.W. Ormel, Astron. and Astrophys. 602, id. A21 (2017), arXiv:1702.02151 [astro-ph.EP].
  23. E.I. Vorobyov, V. Akimkin, O. Stoyanovskaya, Y. Pavlyuchenkov, and H.B. Liu, Astron. and Astrophys. 614, id. A98 (2018), arXiv:1801.06898 [astro-ph.EP].
  24. T. Molyarova, E.I. Vorobyov, V. Akimkin, A. Skliarevskii, D. Wiebe, and M. Güdel, 910(2), id. 153 (2021), arXiv:2103.06045 [astro-ph.EP].
  25. J.E. Pringle, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 19, 137 (1981).
  26. N.I. Shakura and R.A. Sunyaev, Astron. and Astrophys. 24, 337 (1973).
  27. E.I. Vorobyov and S. Basu, 719(2), 1896 (2010), arXiv:1007.2993 [astro-ph.SR].
  28. E.I. Vorobyov and V.G. Elbakyan, Astron. and Astrophys. 618, id. A7 (2018), arXiv:1806.07675 [astro-ph.SR].
  29. O.P. Stoyanovskaya, E.I. Vorobyov, and V.N. Snytnikov, Astron. Rep. 62(7), 455 (2018), arXiv:1808.02867 [astro-ph.EP].
  30. E.I. Vorobyov, S. Khaibrakhmanov, S. Basu, and M. Audard, Astron. and Astrophys. 644, id. A74 (2020), arXiv:2011.00951 [astro-ph.SR].
  31. O.P. Stoyanovskaya, F.A. Okladnikov, E.I. Vorobyov, Y.N. Pavlyuchenkov, and V.V. Akimkin, Astron. Rep. 64(2), 107 (2020), arXiv:2102.09155 [astro-ph.EP].
  32. T. Birnstiel, H. Klahr, and B. Ercolano, Astron. and Astrophys. 539, id. A148 (2012), arXiv:1201.5781 [astro-ph.EP].
  33. S.A. Balbus and J.F. Hawley, 376, 214 (1991).
  34. N.J. Turner, S. Fromang, C. Gammie, H. Klahr, G. Lesur, M. Wardle, and X.N. Bai, in Protostars and Planets VI, edited by H. Beuther, R.S. Klessen, C.P. Dullemond, and T. Henning (Tucson: University of Arizona Press, 2014), p. 411, arXiv:1401.7306 [astro-ph.EP].
  35. K. Kadam, E. Vorobyov, and S. Basu, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 516(3), 4448 (2022), arXiv:2208.12105 [astro-ph.EP].
  36. J. Bae, L. Hartmann, Z. Zhu, and R.P. Nelson, 795(1), id. 61 (2014), arXiv:1409.3891 [astro-ph.SR].
  37. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ábrahám, 882(2), id. 96 (2019), arXiv:1908.02515 [astro-ph.SR].
  38. S.A. Balbus and J.F. Hawley, Rev. Modern Physics 70(1), 1 (1998).
  39. Z. Zhu, L. Hartmann, C.F. Gammie, L.G. Book, J.B. Simon, and E. Engelhard, 713(2), 1134 (2010), arXiv:1003.1759 [astro-ph.SR].
  40. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ábrahám, 895(1), id. 41 (2020), arXiv:2005.03578 [astro-ph.SR].
  41. M. Audard, P. Ábrahám, M.M. Dunham, J.D. Green, et al., in Protostars and Planets VI, edited by H. Beuther, R.S. Klessen, C.P. Dullemond, and T. Henning (Tucson: University of Arizona Press, 2014), p. 387, arXiv:1401.3368 [astro-ph.SR].
  42. M.S. Connelley and B. Reipurth, 861(2), id. 145 (2018), arXiv:1806.08880 [astro-ph.SR].
  43. C.W. Ormel and H.H. Klahr, Astron. and Astrophys. 520, id. A43 (2010), arXiv:1007.0916 [astro-ph.EP].
  44. M. Lambrechts and A. Johansen, Astron. and Astrophys. 544, id. A32 (2012), arXiv:1205.3030 [astro-ph.EP].
  45. S. Ida, T. Guillot, and A. Morbidelli, Astron. and Astrophys. 591, id. A72 (2016), arXiv:1604.01291 [astro-ph.EP].
  46. M. Lambrechts, A. Morbidelli, and A. Johansen, in Chondrules as Astrophysical Objects, Ser. LPI Contributions 1975, id. 2010 (2017).
  47. C.T. Lenz, H. Klahr, and T. Birnstiel, 874(1), id. 36 (2019), arXiv:1902.07089 [astro-ph.EP].
  48. D. Schoonenberg, S. Okuzumi, and C.W. Ormel, Astron. and Astrophys. 605, id. L2 (2017), arXiv:1708.03328 [astro-ph.EP].
  49. S.M. Stammler and T. Birnstiel, 935(1), id. 35 (2022), arXiv:2207.00322 [astro-ph.EP].
  50. A. Houge, E. Macas, and S. Krijt, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 527(4), 9668 (2024), arXiv:2312.01856 [astro-ph.EP].
  51. V. Akimkin, E. Vorobyov, Y. Pavlyuchenkov, and O. Stoyanovskaya, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 499(4), 5578 (2020), arXiv:2010.06566 [astro-ph.EP].
  52. K.I. Öberg, A.C. A. Boogert, K.M. Pontoppidan, S. van den Broek, E.F. van Dishoeck, S. Bottinelli, G.A. Blake, and N.J. Evans, II, 740(2), id. 109 (2011), arXiv:1107.5825 [astro-ph.GA].
  53. C. Eistrup, C. Walsh, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 595, id. A83 (2016), arXiv:1607.06710 [astro-ph.EP].
  54. C. Eistrup, C. Walsh, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 613, id. A14 (2018), arXiv:1709.07863 [astro-ph.EP].
  55. J.-E. Lee, E.A. Bergin, and H. Nomura, Letters 710(1), L21 (2010), arXiv:1001.0818 [astro-ph.GA].
  56. C.-E. Wei, H. Nomura, J.-E. Lee, W.-H. Ip, C. Walsh, and T.J. Millar, 870(2), id. 129 (2019), arXiv:1811.10194 [astro-ph.EP].
  57. H. Deng, L. Mayer, and H. Latter, 891(2), id. 154 (2020), arXiv:2001.08693 [astro-ph.EP].
  58. M.M. Dunham, E.I. Vorobyov, and H.G. Arce, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 444(1), 887 (2014), arXiv:1407.6955 [astro-ph.GA].
  59. A. Miotello, S. Bruderer, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 572, id. A96 (2014), arXiv:1410.2093 [astro-ph.SR].
  60. T. Molyarova, V. Akimkin, D. Semenov, T. Henning, A. Vasyunin, and D. Wiebe, 849(2), id. 130 (2017), arXiv:1710.02993 [astro-ph.EP].
  61. G. Lodato, L. Rampinelli, E. Viscardi, C. Longarini, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 518(3), 4481 (2023), arXiv:2211.03712 [astro-ph.EP].
  62. D.S. Wiebe, T.S. Molyarova, V.V. Akimkin, E.I. Vorobyov, and D.A. Semenov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 485(2), 1843 (2019), arXiv:1902.07475 [astro-ph.EP].
  63. E.I. Vorobyov, I. Baraffe, T. Harries, and G. Chabrier, Astron. and Astrophys. 557, id. A35 (2013), arXiv:1307.2271 [astro-ph.SR].
  64. J.J. Tobin, M.L. R. van’t Hoff, M. Leemker, E.F. van Dishoeck, et al., Nature (London) 615(7951), 227 (2023).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025