LUMINOSITY OUTBURSTS IN INTERACTING PROTOPLANETARY SYSTEMS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

FU Orionis type objects (fuors) are characterized by rapid (tens to hundreds years) episodic outbursts, during which the luminosity increases by orders of magnitude. One of the possible causes of such events is a close encounter between stars and protoplanetary disks. Numerical simulations show that the fuor-like outburst ignition requires a very close encounter ranging from a few to a few tens of au. In contrast, the observed stellar objects in fuor binaries are usually hundreds of au apart. Simple mathematical estimates show that if such a close approach took place, the binary stellar components would have an unrealistic relative velocity, at least an order of magnitude greater than the observed velocity dispersion in young stellar clusters. Thus, the bursts are either triggered with a certain delay after passage of the periastron or their ignition does not necessary require a close encounter and hence the outburst is not caused by the primordial gravitational perturbation of the protoplanetary disk. In this work, an encounter of a star surrounded by a protoplanetary disk with a diskless external stellar object was modeled using numerical hydrodynamics simulations. We showed that even fly-bys with a relatively large periastron (at least 500 au) can result in fuor-like outbursts. Moreover, the delay between the periastron passage and the burst ignition can reach several kyr. It was shown for the first time by means of numerical modeling that the perturbation of the disk caused by the external object can trigger a cascade process, which includes the development of the thermal instability in the innermost disk followed by the magneto-rotational instability ignition. Because of the sequential development of these instabilities, the rapid increase in the accretion rate occurs, resulting in the luminosity increase by more than two orders of ma-gnitude.

About the authors

A. M. Skliarevskii

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: sklyarevskiy@sfedu.ru
Russia, Rostov-on-Don

E. I. Vorobyov

Ural Federal University

Email: sklyarevskiy@sfedu.ru
Russia, Ekaterinburg

References

  1. M. Audard, P. Árahám, M. M. Dunham, J. D. Green, et al., in Protostars and Planets VI, edited by H. Beuther, R. S. Klessen, C. P. Dullemond, and T. Henning (Tucson: University of Arizona Press, 2014), p. 387, arXiv:1401.3368 [astro-ph.SR].
  2. T. Magakian, T. Movsessian, and H. Andreasyan, Acta Astrophys. Taurica 3 (3), 4 (2022).
  3. S. J. Kenyon, in The Origin of Stars and Planetary Systems, edited by C. J. Lada and N. D. Kylafis, NATO ASI Ser. C 540, 613 (1999), arXiv:astro-ph/9904035.
  4. E. I. Vorobyov and S. Basu, Astrophys. J. 805, id. 115 (2015), arXiv:1503.07888 [astro-ph.SR].
  5. A. Mercer and D. Stamatellos, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 465, 2 (2017), arXiv:1610.08248 [astro-ph.EP].
  6. E. I. Vorobyov, Y. N. Pavlyuchenkov, and P. Trinkl, -Astron. Rep. 58, 522 (2014).
  7. E. I. Vorobyov, V. G. Elbakyan, M. Takami, and H. B. Liu, Astron. and Astrophys. 643, id. A13 (2020), ar-Xiv:2009.01888 [astro-ph.SR].
  8. R. Visser, E. A. Bergin, and J. K. Jørgensen, Astron. and Astrophys. 577, id. A102 (2015), arXiv:1503.04951 [astro-ph.SR].
  9. C. Rab, V. Elbakyan, E. Vorobyov, M. Güdel, et al., A-stron. and Astrophys. 604, id. A15 (2017), arXiv:1705.03946 [astro-ph.SR].
  10. T. Molyarova, V. Akimkin, D. Semenov, P. Árahám, T. Henning, Á. Kóspál, E. Vorobyov, and D. Wiebe, Astrophys. J. 866, id. 46 (2018), arXiv:1809.01925 [astro-ph.EP].
  11. D. S. Wiebe, T. S. Molyarova, V. V. Akimkin, E. I. Vorobyov, and D. A. Semenov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 485, 1843 (2019), arXiv:1902.07475 [astro-ph.EP].
  12. E. I. Vorobyov, I. Baraffe, T. Harries, and G. Chabrier, Astron. and Astrophys. 557, id. A35 (2013), arXiv:1307.2271 [astro-ph.SR].
  13. A. Banzatti, P. Pinilla, L. Ricci, K. M. Pontoppidan, T. Birnstiel, and F. Ciesla, Astrophys. J. Letters 815, id. L15 (2015), arXiv:1511.06762 [astro-ph.EP].
  14. D. Schoonenberg and C. W. Ormel, Astron. and Astrophys. 602, id. A21 (2017), arXiv:1702.02151 [astro-ph.EP].
  15. E. I. Vorobyov, A. M. Skliarevskii, T. Molyarova, V. Akim-kin, et al., Astron. and Astrophys. 658, id. A191 (2022), arXiv:2112.06004 [astro-ph.EP].
  16. E. I. Vorobyov, V. G. Elbakyan, H. B. Liu, and M. Takami, Astron. and Astrophys. 647, id. A44 (2021), arXiv:2101.01596 [astro-ph.SR].
  17. M. S. Connelley and B. Reipurth, Astrophys. J. 861, id. 145 (2018), arXiv:1806.08880 [astro-ph.SR].
  18. P. J. Armitage, M. Livio, and J. E. Pringle, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 324, 705 (2001), arXiv:astro-ph/0101253.
  19. E. I. Vorobyov, S. Khaibrakhmanov, S. Basu, and M. Audard, Astron. and Astrophys. 644, id. A74 (2020), arXiv:2011.00951 [astro-ph.SR].
  20. E. I. Vorobyov and S. Basu, Astrophys. J. 719, 1896 (2010), arXiv:1007.2993 [astro-ph.SR].
  21. M. Küffmeier, S. Frimann, S. S. Jensen, and T. Haugbølle, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 475, 2642 (2018), arXiv:1710.00931 [astro-ph.SR].
  22. C. P. Dullemond, M. Küffmeier, F. Goicovic, M. Fukagawa, V. Oehl, and M. Kramer, Astron. and Astrophys. 628, id. A20 (2019), arXiv:1911.05158 [astro-ph.EP].
  23. T. V. Demidova and V. P. Grinin, Astrophys. J. 953 (1), id. 38 (2023), arXiv:2308.04936 [astro-ph.SR].
  24. S. Nayakshin and G. Lodato, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 426, 70 (2012), arXiv:1110.6316 [astro-ph.EP].
  25. K. R. Bell and D. N. C. Lin, Astrophys. J. 427, 987 (1994), arXiv:astro-ph/9312015.
  26. L. A. Maksimova, Y. N. Pavlyuchenkov, and A. V. Tutukov, Astron. Rep. 64, 815 (2020), arXiv:2009.07750 [astro-ph.SR].
  27. I. Bonnell and P. Bastien, Astrophys. J. Letters 401, L31 (1992).
  28. R. Dong, H. B. Liu, N. Cuello, C. Pinte, et al., Nature Astron. 6, 331 (2022), arXiv:2201.05617 [astro-ph.SR].
  29. T. L. Beck and C. Aspin, Astron. J. 143 (3), id. 55 (2012).
  30. S. Pérez, A. Hales, H. B. Liu, Z. Zhu, et al., Astrophys. J. 889, id. 59 (2020), arXiv:1911.11282 [astro-ph.EP].
  31. E. M. A. Borchert, D. J. Price, C. Pinte, and N. Cuello, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 510, L37 (2022), arXiv:2111.12723 [astro-ph.GA].
  32. N. Cuello, F. Ménard, and D. J. Price, European Phys. J. Plus 138, 11 (2023), arXiv:2207.09752 [astro-ph.EP].
  33. H. B. Liu, E. I. Vorobyov, R. Dong, M. M. Dunham, et al., Astron. and Astrophys. 602, id. A19 (2017), arXiv:1701.06531 [astro-ph.SR].
  34. E. I. Vorobyov, V. Akimkin, O. Stoyanovskaya, Y. Pavlyuchenkov, and H. B. Liu, Astron. and Astrophys. 614, id. A98 (2018), arXiv:1801.06898 [astro-ph.EP].
  35. O. P. Stoyanovskaya, F. A. Okladnikov, E. I. Vorobyov, Y. N. Pavlyuchenkov, and V. V. Akimkin, Astron. Rep. 64, 107 (2020), arXiv:2102.09155 [astro-ph.EP].
  36. T. Molyarova, E. I. Vorobyov, V. Akimkin, A. Skliarevskii, D. Wiebe, and M. Güdel, Astrophys. J. 910, id. 153 (2021), arXiv:2103.06045 [astro-ph.EP].
  37. C. B. Henderson, Amer. Inst. Aeronautics and Astronautics J. 14, 707 (1976).
  38. N. I. Shakura and R. A. Sunyaev, Astron. and Astrophys. 24, 337 (1973).
  39. J. S. Dohnanyi, J. Geophys. Res. 74, 2531 (1969).
  40. C. F. Gammie, Astrophys. J. 457, 355 (1996).
  41. J. Bae, L. Hartmann, Z. Zhu, and R. P. Nelson, Astrophys. J. 795, id. 61 (2014), arXiv:1409.3891 [astro-ph.SR].
  42. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ab-rahám, Astrophys. J. 882, id. 96 (2019), arXiv:1908.02515 [astro-ph.SR].
  43. E. I. Vorobyov, M. E. Steinrueck, V. Elbakyan, and M. Guedel, Astron. and Astrophys. 608, id. A107 (2017), arXiv:1708.07166 [astro-ph.SR].
  44. E. M. A. Borchert, D. J. Price, C. Pinte, and N. Cuello, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 517, 4436 (2022), arXiv:2210.01143 [astro-ph.SR].
  45. Z. Regály and E. Vorobyov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 471, 2204 (2017), arXiv:1709.08334 [astro-ph.SR].
  46. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ab-rahám, Astrophys. J. 895, id. 41 (2020), arXiv:2005.03578 [astro-ph.SR].
  47. E. I. Vorobyov, V. G. Elbakyan, A. Johansen, M. Lambrechts, A. M. Skliarevskii, and O. P. Stoyanovskaya, A-stron. and Astrophys. 670, id. A81 (2023), arXiv:2212.01023 [astro-ph.EP].
  48. A. Labdon, S. Kraus, C. L. Davies, A. Kreplin, et al., A-stron. and Astrophys. 646, id. A102 (2021), arXiv:2011.07865 [astro-ph.SR].
  49. F. Lykou, P. Ábrahám, L. Chen, J. Varga, et al., Astron. and Astrophys. 663, id. A86 (2022), arXiv:2205.10173 [astro-ph.SR].
  50. L. Hartmann, Accretion Processes in Star Formation (Cambridge, UK; New York: Cambridge University Press, 1998).
  51. A. M. Skliarevskii, Y. N. Pavlyuchenkov, and E. I. Vorobyov, Astron. Rep. 65, 170 (2021), arXiv:2104.10787 [astro-ph.EP].
  52. E. Kawazoe and S. Mineshige, Publ. Astron. Soc. Japan 45, 715 (1993).
  53. P. D’Alessio, Ph.D. thesis, UNAM’s Institute of Astronomy (1996).
  54. R. Dong, E. Vorobyov, Y. Pavlyuchenkov, E. Chiang, and H. B. Liu, Astrophys. J. 823, id. 141 (2016), arXiv:1603.01618 [astro-ph.SR].
  55. K. Zhang, G. A. Blake, and E. A. Bergin, Astrophys. J. Letters 806, id. L7 (2015), arXiv:1505.00882 [astro-ph.EP].
  56. P. Pinilla, A. Pohl, S. M. Stammler, and T. Birnstiel, A-strophys. J. 845, id. 68 (2017), arXiv:1707.02321 [astro-ph.EP].
  57. G. Picogna and W. Kley, Astron. and Astrophys. 584, id. A110 (2015), arXiv:1510.01498 [astro-ph.EP].
  58. R. Dong, Z. Zhu, and B. Whitney, Astrophys. J. 809, id. 93 (2015), arXiv:1411.6063 [astro-ph.EP].
  59. N. Dzyurkevich, M. Flock, N. J. Turner, H. Klahr, and T. Henning, Astron. and Astrophys. 515, id. A70 (2010), arXiv:1002.2521 [astro-ph.SR].
  60. M. Flock, J. P. Ruge, N. Dzyurkevich, T. Henning, H. Klahr, and S. Wolf, Astron. and Astrophys. 574, id. A68 (2015), arXiv:1411.2736 [astro-ph.EP].
  61. K. Kadam, E. Vorobyov, and S. Basu, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 516, 4448 (2022), arXiv:2208.12105 [astro-ph.EP].
  62. D. Forgan and K. Rice, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 402, 1349 (2010), arXiv:0911.0531 [astro-ph.SR].
  63. C. J. Clarke and J. E. Pringle, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 249, 584 (1991).
  64. G. Bourdarot, J.-P. Berger, G. Lesur, K. Perraut, et al., arXiv:2304.13414 [astro-ph.SR] (2023).
  65. K. Kadam, E. Vorobyov, and Á. Kóspál, Astrophys. J. 909, id. 31 (2021), arXiv:2101.05764 [astro-ph.SR].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (285KB)
4.

Download (928KB)
5.

Download (188KB)
6.

Download (654KB)
7.

Download (58KB)
8.

Download (108KB)
9.

Download (123KB)
10.

Download (127KB)
11.

Download (1MB)

Copyright (c) 2023 А.М. Скляревский, Э.И. Воробьев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».