DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v17r332

Численное моделирование развития гравитационной неустойчивости и образования сгустков вещества в массивных околозвездных дисках с использованием интегральной характеристики для интерпретации результатов

Авторы

  • О.П. Стояновская

Ключевые слова:

околозвездный диск
формирование структур
гидродинамика сглаженных частиц
гравитационная газовая динамика

Аннотация

Анализируются и систематизируются результаты численного моделирования развития неустойчивости и формирования самогравитирующих сгустков вещества (зародышей протопланет) в тонком газовом околозвездном диске. Численные эксперименты проводятся по модели диска, основанной на комбинации гидродинамики сглаженных частиц (SPH) и метода Хокни для решения уравнения Пуассона на равномерной декартовой сетке. Показано, что процесс образования сгущений может быть охарактеризован средней скоростью нарастания суммарной массы сгустков во всем диске, которая значительно зависит от физических параметров диска и незначительно зависит от параметров численной модели. Подтверждено, что существует диапазон параметров диска, для которого появление или отсутствие сгустков в диске зависит от используемого разрешения и деталей численного алгоритма, в то время как за пределами этого диапазона такая зависимость отсутствует. Показано, что при комбинировании метода SPH c сеточным методом для вычисления гравитационной силы необходимо, чтобы гидродинамический радиус сглаживания не превосходил длину ячейки сетки, в противном случае в решении возникают выраженные счетные эффекты: диск приобретает квадратную форму и появляется искусственное разбиение модельных частиц на группы из-за развития парной (клампинговой) неустойчивости в SPH.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2016-08-23

Выпуск

Том 17 (2016): Выпуск 3.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Автор

О.П. Стояновская

Новосибирский государственный университет,
факультет естественных наук
ул. Пирогова, 2, 630090, Новосибирск
• научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. A. C. Boley, T. Hayfield, L. Mayer, and R. H. Durisend, “Clumps in the Outer Disk by Disk Instability: Why They are Initially Gas Giants and the Legacy of Disruption,” Icarus 207 (2), 509-516 (2010).
  2. A. P. Boss, “Possible Rapid Gas Giant Planet Formation in the Solar Nebula and Other Protoplanetary Disks,” Astrophys. J. 536 (2), L101-L104 (2000).
  3. S. Nayakshin, S.-H. Cha, and J. C. Bridges, “The Tidal Downsizing Hypothesis for Planet Formation and the Composition of Solar System Comets,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416 (1), L50-L54 (2011).
  4. M. N. Machida, S.-I. Inutsuka, and T. Matsumoto, “Recurrent Planet Formation and Intermittent Protostellar Outflows Induced by Episodic Mass Accretion,” Astrophys. J. 729 (1), 1-17 (2011).
    doi 10.1088/0004-637X/729/1/42
  5. F. Meru, “Triggered Fragmentation in Self-Gravitating Discs: Forming Fragments at Small Radii,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 454 (3), 2529-2538 (2015).
  6. E. I. Vorobyov and S. Basu, “The Burst Mode of Protostellar Accretion,” Astrophys. J. 650 (2), 956-969 (2006).
  7. Z. Zhu, L. Hartmann, R. P. Nelson, and C. F. Gammie, “Challenges in Forming Planets by Gravitational Instability: Disk Irradiation and Clump Migration, Accretion, and Tidal Destruction,” Astrophys. J. 746 (1), 1-26 (2012).
    doi 10.1088/0004-637X/746/1/110
  8. M. D. Young and C. J. Clarke, “Dependence of Fragmentation in Self-Gravitating Accretion Discs on Small-Scale Structure,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 451 (4), 3987-3994 (2015).
  9. S. Z. Takahashi, Y. Tsukamoto, and S. Inutsuka, “A Revised Condition for Self-Gravitational Fragmentation of Protoplanetary Discs,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 458 (4), 3597-3612 (2016).
  10. F. Meru and M. R. Bate, “Non-Convergence of the Critical Cooling Time-Scale for Fragmentation of Self-Gravitating Discs,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 411 (1), L1-L5 (2011).
  11. O. P. Stoyanovskaya, N. V. Snytnikov, and V. N. Snytnikov, “An Algorithm for Solving Transient Problems of Gravitational Gas Dynamics: A Combination of the SPH Method with a Grid Method of Gravitational Potential Computation,” Vychisl. Metody Programm. 16, 52-60 (2015).
  12. E. I. Vorobyov, “Embedded Protostellar Disks around (Sub-)Solar Protostars. I. Disk Structure and Evolution,” Astrophys. J. 2010. 723 (2), 1294-1307 (2010).
  13. V. L. Polyachenko and A. M. Fridman, Equilibrium and Stability of Gravitating Systems (Nauka, Moscow, 1976) [in Russian].
  14. R. H. Durisen, A. P. Boss, L. Mayer, et al., “Gravitational Instabilities in Gaseous Protoplanetary Disks and Implications for Giant Planet Formation,” in Protostars and Planets (Univ. Arizona Press, Tucson, 2007), pp.607-622.
  15. J. K. Truelove, R. I. Klein, C. F. McKee, et al., “The Jeans Condition: A New Constraint on Spatial Resolution in Simulations of Isothermal Self-Gravitational Hydrodynamics,” Astrophys. J. 489 (2), L179-L183 (1997).
  16. I. Thies, P. Kroupa, S. P. Goodwin, et al., “Tidally Induced Brown Dwarf and Planet Formation in Circumstellar Disks,” Astrophys. J. 2010. 717 (1), 577-585 (2010).
  17. D. J. Eisenstein and P. Hut, “HOP: A New Group-Finding Algorithm for N-Body Simulations,” Astrophys. J. 498 (1), 137-142 (1998).
  18. M. R. Bate and A. Burkert, “Resolution Requirements for Smoothed Particle Hydrodynamics Calculations with Self-Gravity,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 288 (4), 1060-1072 (1997).
  19. A. F. Nelson, “Numerical Requirements for Simulations of Self-Gravitating and Non-Self-Gravitating Discs,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 373 (3), 1039-1073 (2006).
  20. B. E. Robertson, A. V. Kravtsov, N. Y. Gnedin, et al., “Computational Eulerian Hydrodynamics and Galilean Invariance,” Mon. Not. R. Astron. Soc. 401 (4), 2463-2476 (2010).
  21. I. Schuessler and D. Schmitt, “Comments on Smoothed Particle Hydrodynamics,” Astron. Astrophys. 97 (2), 373-379 (1981).