論文関連の(ほぼ)個人用メモ。



arXiv:1802.10445
Humphries & Nayakshin (2018)
Changes in the metallicity of gas giant planets due to pebble accretion
(ペブル降着による巨大ガス惑星の金属量の変化)

概要

重い原始惑星系円盤に埋め込まれている巨大ガス惑星への，ガスとダスト粒子の降着を研究するため，数値シミュレーションを実行した．その結果は，円盤の冷却率，惑星質量，ダスト粒子サイズ，惑星からの輻射フィードバックに依存することを発見した．

もし円盤の輻射冷却が効率的な場合，円盤中にある惑星はガスとペブルを速く降着し，円盤にギャップを開け，一般に重い褐色矮星へと成長する．冷却率が小さく冷却が非効率的な場合，円盤ガスは惑星に降着するには高温すぎるが，惑星へのペブル降着は継続し，惑星は内側へと速く移動する．

また，惑星からの輻射フィードバックは，惑星へのガス降着を抑える傾向がある．

今回のシミュレーション結果からは，ダスト粒子が降着することによるガス惑星の金属量の増加は，惑星の最終質量と逆相関の関係になることが予想される．これは太陽系の巨大惑星の組成に関して観測されている傾向と一致する．しかし観測結果を説明するためには，ダスト質量のうち 30 - 50% は大きな粒子の状態にいる必要がある．

主な結果

三次元 smoothed-particle hydrodynamics (SPH) シミュレーションを用いて，円盤中を移動するガス惑星へ降着する，ガスとダストの相対的な割合を計算した．

1 木星質量のオーダーの質量を持つ惑星は，重い円盤中にいる場合は，100 AU からは I 型惑星移動によって ~ 10⁴ 年のタイムスケールで移動する．これは惑星質量と反比例する．この結果は，重力不安定で形成された惑星は一般に内側へ速く移動を起こすことが期待されると指摘した Baruteau et al. (2011) の結果と一致する．

今回のシミュレーションでは，円盤の非効率的なガス冷却率と移動する惑星からの輻射フィードバックは，ガス降着を抑える効果として縮退してはたらく．ガス冷却率が大きく冷却が効率的な場合，惑星は暴走ガス降着フェーズに入り，急速に褐色矮星へと進化する．一方で非効率的な冷却をする円盤中で惑星からのフィードバックを考慮した場合，惑星へのガス降着は抑制され，惑星は初期の木星質量程度のまま保たれる．

一方でダスト粒子に関しては，ダスト粒子のストークス数が 0.1 - 100 の範囲の場合は，惑星へのガス降着が強く抑制された場合でもダスト粒子は効率的に降着する．これらの降着した粒子は，ガス流が惑星に重力的に束縛されるようになるには高温すぎる状態であっても，惑星のヒル球に流れ込んだガスと分離して運動できる．

また，ガス惑星の金属量の増加は，惑星質量と反相関することを見出した．低質量の惑星は，より重い惑星と比べて金属量が大きな値になる．この結果は，円盤内側で観測されるガス惑星の質量-金属量の負の相関を，重力不安定惑星でも再現することを可能にするかもしれない．

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