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Migration of Radiative Gas Giants with GIZMO

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Authors

양승원

Advisor
김웅태
Issue Date
2019-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Numerical simulation: Hydrodynamics - Radiative FeedbackProtoplanetary disk: Accretion disk - Planet - Planet-disk interaction - Planet migration
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 물리·천문학부(천문학전공),2019. 8. 김웅태.
Abstract
A gas giant formed in a massive protoplanetary disk via gravitational instability grows in mass by accreting the surrounding disk material and simultaneously migrates due to its tidal interaction with the disk. Since the accretion flow onto the planet is enhanced for colder material within the Hill sphere, the planet migration is dominantly affected by both planet mass and disk cooling rate. Previous numerical studies on the migration of accreting protoplanets predicted the formation of brown dwarfs or low-mass stars rather than gas giants. In this thesis, we perform three-dimensional hydrodynamic simulations using GIZMO (Hopkins 2015) to investigate the evolution of a giant planet in a massive protoplanetary disk by allowing for radiative feedback resulting from gas accretion onto the planet in the framework of the β-cooling model suggested by Gammie (2001). We find that a protoplanet in a massive protoplanetary disk rapidly migrates inward and gradually stalls as the disk opens a gap. The accretion rate is measured to be higher for a heavier planet and/or a colder disk. In general, the presence of radiative feedback tends to suppress the accretion rate onto a planet and delay gap opening, thereby keeping the final planet mass below the brown dwarf regime. We discuss our results in comparison with the previous numerical studies.
무거운 원시행성계원반의 중력불안정으로 형성되는 목성형 행성은 주변 물질 을 강착하면서 질량을 증가하고 원반과 조력 상호작용을 통해 이주한다. 힐 구 내의 냉각이 효율적일수록 흡착이 빨라지기에 행성 이주는 행성 질량과 원반의 냉각률에 직접적인 영향을 받는다. 목성형 행성의 형성과 진화를 다룬 수치 연구에선 목성형 행성이 갈색왜성 혹은 낮은 질량의 별로 진화한다는 결론을 냈다. 따라서 본 연구는 GIZMO (Hopkins 2015)를 이용해 3차원 유체역학 계산을 수행하여 무거운 원시 행성계원반 내 목성형 행성 진화과정을 조사하고, 강착률에 상응하는 행성의 복사 되먹임을 고려했다. 복사과정은 β 냉각 모델 (Gammie 2011)로서 규정했다.
우리는 무거운 원시행성계원반에 존재하는 행성은 빠르게 안쪽으로 이주하면 서 원반에 틈을 벌려 점차 이주를 멈추는 것을 확인했다. 차가운 원반 내에 무거운 행성이 존재할수록, 원반 물질이 힐 구 안으로 쉽게 축적될 수 있었고, 밀집한 행성 주변부원반을 형성해 높은 강착률을 보였다. 의미 있는 결과로는 일반적인 경우의 행성의 질량 성장이 갈색왜성 영역 밑에 존재한다는 점이다. 복사 되먹임의 존재는 행성의 질량 성장을 약화하고, 원반 내 틈 형성을 늦추었다. 본 논문은 다른 수치 연 구들과의 비교를 통해 GIZMO를 이용한 결과를 논하고, 더 나아가 관측치와 행성의 진화 사이의 관계를 원반 내 틈, 나선무늬, 그리고 행성의 광도로서 설명한다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/161637

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000156225
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