Accretion subdisks around protoplanets in protoplanetary disks

Abstract

A proto-Jovian planet begins to grow by gas accretion when massive atmosphere around the solid core become unstable and contract quasi-statistically. In order to clarify the gas accretion phase and obtain the growth tie of Jovian planets, two-dimensional hydrodynamic simulations of gas flows around the protoplanets with various masses are performed using local rotating coordinates with very fine spatial resolutions. It is found that: (1) an accretion subdisk with two spiral shock waves induced by the solar tidal potential was formed around the protoplanet when the planet mass is in 20 - 250 Earth masses; and (2) the minimum growth time from the onset of the atmospheric instability (approximately 10 Earth masses) to the present mass of Jupiter (approximately 300 Earth masses) is determined by subdisk accretion rate and is about 1,700 years, whereas the Kelvin-Helmholtz time may be longer than the time scale when the planet mass is lower than about 30 Earth mass.

木星型原始惑星は、固体コア周囲の大質量大気が不安定になって、準定常的に収縮すると成長を始める。気体の降着過程を明らかにし、木星型惑星の成長時間を知るため、我々は様々な質量の原始惑星周辺の気体流の2次元流体力学的シミュレーションを、非常に細かい空間分解能の部分回転座標を使って行った。そして以下のことが分かった。(1)惑星質量が地球質量の20?250倍のとき、太陽の潮汐ポテンシャルによって引き起こされる渦巻状の衝撃波を持つ降着サブ円盤が、原始惑星の周囲に形成される。(2)大気の不安定性が始まってから(?10太陽質量)現在の木星質量(?300地球質量)までの最短の成長時間は、サブ円盤の降着率で決まり、約1,700年である。ただし、惑星質量が地球質量の約30倍より小さい場合、Kelvin-Helmholtz時間はこの成長時間より長いかも知れない。