Протопланетные диски и аккреция

Газопылевые диски, которые вращаются вокруг молодых звезд, поставляя сырье для планет и направляя массу на центральную звезду.

Definition

Протопланетный диск — это вращающийся диск из газа и пыли, окружающий новообразованную звезду, внутри которого формируются планеты и через который масса аккрецирует на звезду.

Scope

Эта тема охватывает образование, структуру, термическую и химическую стратификацию, а также диссипацию протопланетных дисков, наряду с физикой аккреции дискового материала на звезду и переноса углового момента наружу. Она включает в себя модель альфа-вязкости, магнитовращательную и другие виды турбулентности, роль снеговой линии и пылевых ловушек, а также диагностику по наблюдениям в инфракрасном и миллиметровом диапазонах, таким как кольца, щели и спиральные рукава.

Core questions

• Как переносится угловой момент, чтобы газ мог аккрецировать на звезду?
• Что определяет температурную и плотностную структуру диска, и где проходит снеговая линия?
• Как и когда диски рассеиваются, задавая время для формирования планет-гигантов?
• Что кольца и щели, наблюдаемые на изображениях дисков, говорят о внедренных планетах и динамике пыли?

Key theories

Модель альфа-диска

Аккреция диска параметризуется эффективной турбулентной вязкостью, пропорциональной давлению газа и безразмерному параметру альфа, что позволяет делать поддающиеся расчету предсказания структуры и эволюции диска без разрешения лежащей в основе турбулентности.

Вязкий перенос углового момента

Внешний перенос углового момента, предположительно обусловленный магнитовращательной неустойчивостью или дисковыми ветрами, позволяет основной массе газа диска двигаться по спирали внутрь и аккрецировать, в то время как небольшая внешняя часть уносит угловой момент.

Mechanisms

Материал в диске теряет угловой момент из-за турбулентных напряжений или намагниченных ветров и по спирали движется внутрь к звезде; пыль оседает к срединной плоскости и дрейфует радиально, концентрируясь в максимумах давления, где она может вырастать в планетезимали. Звездное излучение и вязкий нагрев создают радиальный температурный градиент, который определяет фронты конденсации воды и других летучих веществ.

Clinical relevance

Структура диска определяет состав и расположение твердых и летучих веществ, доступных для планет, напрямую формируя состав и орбиты планет, которые в конечном итоге образуются.

History

Теория дисковой аккреции была количественно обоснована в 1973 году моделью альфа-диска Шакуры и Сюняева, первоначально разработанной для аккрецирующих компактных объектов, но широко примененной к протопланетным дискам. Миллиметровые изображения высокого разрешения в 2010-х годах показали, что диски обычно структурированы в кольца и щели, что изменило подход к наблюдательному изучению формирования планет in situ.

Debates

Что движет аккрецией диска?

Остается нерешенным вопрос, доминирует ли в аккреции магнитовращательная турбулентность, намагниченные дисковые ветры или другие механизмы, особенно в холодном, слабоионизированном внешнем диске.

Key figures

• Nikolai Shakura
• Rashid Sunyaev
• Philip Armitage
• Sean Andrews

Seminal works

• shakurasunyaev1973
• andrews2020

Frequently asked questions

Как долго существуют протопланетные диски?

Наблюдения молодых скоплений показывают, что богатая газом фаза большинства дисков рассеивается в течение нескольких миллионов лет, что ограничивает скорость, с которой должны формироваться газовые планеты-гиганты.

Что вызывает кольца, наблюдаемые на изображениях дисков?

Кольца и щели могут быть вырезаны формирующимися планетами или возникать из-за захвата пыли в барьерах давления и на фронтах конденсации; обе интерпретации активно изучаются.