Simulation of the free fall of a gas stream on a protoplanetary disk

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The problem of the formation of exoplanets in inclined orbits relative to the equatorial plane of the parent star or the main plane of the protoplanetary disk can be solved by introducing a smaller inclined disk. However, the question of the nature of such an internal disk remains open. In the paper, we successfully tested the hypothesis about the formation of an inclined inner disk in a protoplanetary disk near a T Tau type star as a result of a gas stream falling on it. To test the hypothesis, three-dimensional gas-dynamic calculations were performed taking into account viscosity and thermal conductivity using the PLUTO package. In the course of the analysis of calculations, it was shown that a single intersection of the matter stream with the plane of the disk cannot ensure the formation of an inclined disk near the star, while a double intersection can. In addition, in the case of a retrograde fall of matter, the angle of inclination of the resulting inner disk is significantly greater. An analysis of the observational manifestations of this event was also carried out: the potential change in the brightness of the star, the distribution of optical thickness in angles, the evolution of the accretion rate. It is shown that the decrease in brightness can reach up to 5m, taking into account scattered light, and such a decrease in brightness will last several decades. In addition, a sharp increase in the accretion rate by two orders of magnitude could potentially trigger an FU Ori-like outburst.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Grigoryev

Crimean Astrophysical Observatory of RAS

Author for correspondence.
Email: vitaliygrigoryev@crao.ru
Russian Federation, Crimea, Nauchny

T. V. Demidova

Crimean Astrophysical Observatory of RAS

Email: proxima1@list.ru
Russian Federation, Crimea, Nauchny

References

  1. C.J. Burrows, J.E. Krist, K.R. Stapelfeldt, and WFPC2 Investigation Definition Team, AAS Meeting Abstracts № 187, id. 32.05; Bull. Amer. Astron. Soc. 27, 1329 (1995).
  2. D. Mouillet, J.D. Larwood, J.C.B. Papaloizou, and A.M. Lagrange, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 292(4), 896 (1997), arXiv:astro-ph/9705100.
  3. J.D. Larwood and J.C.B. Papaloizou, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 285(2), 288 (1997), arXiv:astro-ph/9609145.
  4. A.M. Lagrange, M. Kasper, A. Boccaletti, G. Chauvin, et al., Astron. and Astrophys. 506(2), 927 (2009), arXiv:0906.5520 [astro-ph.EP].
  5. G. Chauvin, A.M. Lagrange, H. Beust, M. Bonnefoy, et al., Astron. and Astrophys. 542, id. A41 (2012), arXiv:1202.2655 [astro-ph.EP].
  6. J.A. Eisner, B.F. Lane, L.A. Hillenbrand, R.L. Akeson, and A.I. Sargent, Astrophys. J. 613(2), 1049 (2004), arXiv:astro-ph/0406356.
  7. E. Chapillon, S. Guilloteau, A. Dutrey, and V. Pietu, Astron. and Astrophys. 488(2), 565 (2008), arXiv:0805.3473 [astro-ph].
  8. J. Bouvier, A. Chelli, S. Allain, L. Carrasco, et al., Astron. and Astrophys. 349, 619 (1999).
  9. K.R. Covey, K.A. Larson, G.J. Herczeg, and C.F. Manara, Astron. J. 161(2), id. 61 (2021), arXiv:2012.02415 [astro-ph.SR].
  10. R.A. Loomis, K.I. Öberg, S.M. Andrews, and M.A. MacGregor, Astrophys. J. 840(1), id. 23 (2017), arXiv:1704.02006 [astro-ph.EP].
  11. R.A. Rossiter, Astrophys. J. 60, 15 (1924).
  12. D.B. McLaughlin, Astrophys. J. 60, 22 (1924).
  13. S.H. Albrecht, R.I. Dawson, and J.N. Winn, Publ. Astron. Soc. Pacific 134(1038), id. 082001 (2022), arXiv:2203.05460 [astro-ph.EP].
  14. C. Hellier, D.R. Anderson, M. Gillon, T.A. Lister, et al., Astrophys. J. Letters. 690(1), L89 (2009), arXiv:0805.2600 [astro-ph].
  15. A.H.M.J. Triaud, A. Collier Cameron, D. Queloz, D.R. Anderson, et al., Astron. and Astrophys. 524, id. A25 (2010), arXiv:1008.2353 [astro-ph.EP].
  16. V.P. Grinin, T.V. Demidova, and N.Y. Sotnikova, Astron. Letters 36(11), 808 (2010), arXiv:1110.2971 [astro-ph.SR].
  17. T.V. Demidova, V.P. Grinin, and N.Y. Sotnikova, Astron. Letters 39(11), 26 (2013), arXiv:1304.2262 [astro-ph.SR].
  18. T.V. Demidova and V.P. Grinin, Astron. Letters 40(6), 334 (2014), arXiv:1701.03143 [astro-ph.SR].
  19. J.P. Ruge, S. Wolf, T. Demidova, and V. Grinin, Astron. and Astrophys. 579, id. A110 (2015), arXiv:1506.04373 [astro-ph.EP].
  20. L. Arzamasskiy, Z. Zhu, and J.M. Stone, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 475(3), 3201 (2018), arXiv:1710.11128 [astro-ph.EP].
  21. Z. Zhu, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 483(3), 4221 (2019), arXiv:1812.01262 [astro-ph.EP].
  22. R. Nealon, C. Pinte, R. Alexander, D. Mentiplay, and G. Dipierro, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 484(4), 4951 (2019), arXiv:1902.00036 [astro-ph.EP].
  23. N. van der Marel, T. Birnstiel, A. Garufi, E. Ragusa, et al., Astron. J. 161(1), id. 33 (2021), arXiv:2010.10568 [astro-ph.EP].
  24. T. Stolker, M. Sitko, B. Lazareff, M. Benisty, et al., 849(2), 143 (2017), arXiv:1710.02532 [astro-ph.EP].
  25. S. Marino, S. Perez, and S. Casassus, Astrophys. J. Letters 798(2), L44 (2015), arXiv:1412.4632 [astro-ph.EP].
  26. H. Avenhaus, S.P. Quanz, H.M. Schmid, C. Dominik, et al., Astron. J. 154(1), id. 33 (2017), arXiv:1705.09680 [astro-ph.EP].
  27. Z.C. Long, R.B. Fernandes, M. Sitko, K. Wagner, et al., 838(1), id. 62 (2017), arXiv:1703.00970 [astro-ph.EP].
  28. M. Min, T. Stolker, C. Dominik, and M. Benisty, Astron. and Astrophys. 604, L10 (2017), arXiv:1704.01844 [astro-ph.EP].
  29. S. Lacour, B. Biller, A. Cheetham, A. Greenbaum, et al., Astron. and Astrophys. 590, id. A90 (2016), arXiv:1511.09390 [astro-ph.SR].
  30. R. Claudi, A.L. Maire, D. Mesa, A. Cheetham, et al., Astron. and Astrophys. 622, id. A96 (2019), arXiv:1812.07814 [astro-ph.SR].
  31. W. Kley and R.P. Nelson, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 50, 211 (2012), arXiv:1203.1184 [astro-ph.EP].
  32. M. Xiang-Gruess and J.C.B. Papaloizou, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 431(2), 1320 (2013), arXiv:1302.2045 [astro-ph.EP].
  33. I. Thies, P. Kroupa, S.P. Goodwin, D. Stamatellos, and A. P. Whitworth, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 417(3), 1817 (2011), arXiv:1107.2113 [astro-ph.EP].
  34. M. Küffmeier, S. Frimann, S.S. Jensen, and T. Haugbølle, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 475(2), 2642 (2018), arXiv:1710.00931 [astro-ph.SR].
  35. 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].
  36. M. Küffmeier, C.P. Dullemond, S. Reissl, and F.G. Goicovic, Astron. and Astrophys. 656, id. A161 (2021), arXiv:2110.04309 [astro-ph.SR].
  37. E.I. Vorobyov, D.N.C. Lin, and M. Guedel, Astron. and Astrophys. 573, id. A5 (2015), arXiv:1410.1743 [astro-ph.SR].
  38. M. Unno, T. Hanawa, and S. Takasao, Astrophys. J. 941(2), id. 154 (2022).
  39. E.I. Vorobyov and S. Basu, Astrophys. J. Letters 633(2), L137 (2005), arXiv:astro-ph/0510014.
  40. S. Basu and E.I. Vorobyov, 750(1), id. 30 (2012), arXiv:1203.0274 [astro-ph.SR].
  41. E.I. Vorobyov, M.E. Steinrueck, V. Elbakyan, and M. Guedel, Astron. and Astrophys. 608, id. A107 (2017), arXiv:1708.07166 [astro-ph.SR].
  42. T.V. Demidova and V.P. Grinin, Astrophys. J. 930(2), id. 111 (2022), arXiv:2205.06763 [astro-ph.SR].
  43. T.V. Demidova and V.P. Grinin, Astrophys. J. 953(1), id. 38 (2023), arXiv:2308.04936 [astro-ph.SR].
  44. V. Grigoryev and T. Demidova, in Parallel Computational Technologies, 17th Intern. Conference, Saint Petersburg, Russia, March 28–30, 2023, edited by L. Sokolinsky and M. Zymbler (Springer Nature Switzerland, Cham, 2023), p. 269.
  45. J.E. Pineda, D. Arzoumanian, P. Andre, R.K. Friesen, et al., in Protostars and Planets VII, ASP Conference Series, 534, Proc. of a conference held 10–15 April 2023 at Kyoto, Japan; edited by S. Inutsuka, Y. Aikawa, T. Muto, K. Tomida, and M. Tamura (San Francisco: Astron. Soc. Pacific, 2023), p. 233, arXiv:2205.03935 [astro-ph.GA].
  46. C. Ginski, S. Facchini, J. Huang, M. Benisty, et al., Astrophys. J. Letters 908(2), id. L25 (2021), arXiv:2102.08781 [astro-ph.EP].
  47. A. Garufi, L. Podio, C. Codella, D. Segura-Cox, et al., Astron. and Astrophys. 658, id. A104 (2022), arXiv:2110.13820 [astro-ph.GA].
  48. T. Hanawa, A. Garufi, L. Podio, C. Codella, and D. Segura-Cox, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 528(4), 6581 (2024), arXiv:2402.02706 [astro-ph.GA].
  49. A. Mignone, G. Bodo, S. Massaglia, T. Matsakos, O. Tesileanu, C. Zanni, and A. Ferrari, Astrophys. J. Suppl. 170(1), 228 (2007), arXiv:astro-ph/0701854.
  50. S.I. Braginskii, Rev. Plasma Physics 1, 205 (1965).
  51. N.I. Shakura and R.A. Sunyaev, Astron. and Astrophys. 24, 337 (1973).
  52. L. Hartmann, Accretion Processes in Star Formation (Cambridge University Press, 2008).
  53. E.I. Chiang and P. Goldreich, Astrophys. J. 490, 368 (1997), arXiv:astro-ph/9706042.
  54. C.P. Dullemond and C. Dominik, Astron. and Astrophys. 421, 1075 (2004), arXiv:astro-ph/0405226.
  55. A. Dutrey, S. Guilloteau, and M. Simon, Astron. and Astrophys. 286, 149 (1994).
  56. J. Stoer and R. Bulirsch, Introduction to Numerical Analysis (New York: Springer-Verlag, 1980).
  57. T. Demidova, Astronomy and Computing 41, id. 100635 (2022).
  58. V. Grigoryev, T. Demidova, Proceedings of the International Scientific Youth School-Seminar “Mathematical Modeling, Numerical Methods and Software complexes” named after E.V. Voskresensky (Saransk, July 26–28, 2024). Saransk: SVMO Publ, 2024. – pp. 40–44.
  59. G. H. Herbig, 217, 693 (1977).
  60. E.N. Kopatskaya, E.A. Kolotilov, and A.A. Arkharov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 434(1), 38 (2013).
  61. Z.M. Szabó, Á. Kóspál, P. Ábrahám, S. Park, et al., Astrophys. J. 917(2), id. 80 (2021), arXiv:2105.10405 [astro-ph.SR].
  62. A. Natta and B.A. Whitney, Astron. and Astrophys. 364, 633 (2000).
  63. S. Pfalzner, Astron. and Astrophys. 492(3), 735 (2008), arXiv:0810.2854 [astro-ph].
  64. D. Forgan and K. Rice, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 402(2), 1349 (2010), arXiv:0911.0531 [astro-ph.SR].
  65. E.M.A. Borchert, D.J. Price, C. Pinte, and N. Cuello, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 510(1), L37 (2022), arXiv:2111.12723 [astro-ph.GA].
  66. E.M.A. Borchert, D.J. Price, C. Pinte, and N. Cuello, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 517(3), 4436 (2022), arXiv:2210.01143 [astro-ph.SR].
  67. A.M. Skliarevskii and E.I. Vorobyov, Astron. Rep. 67(12), 1401 (2023), arXiv:2402.14165 [astro-ph.SR].
  68. V.P. Grinin, L.V. Tambovtseva, O.Y. Barsunova, and D.N. Shakhovskoy, Astrophysics 66(2), 235 (2023), arXiv:2304.07115 [astro-ph.SR].
  69. E.H. Semkov, S.P. Peneva, and S.I. Ibryamov, Astron. and Astrophys. 582, id. A113 (2015), arXiv:1510.00416 [astro-ph.SR].
  70. J. Bouvier, K. Grankin, L.E. Ellerbroek, H. Bouy, and D. Barrado, Astron. and Astrophys. 557, id. A77 (2013), arXiv:1304.1487 [astro-ph.SR].
  71. C.J. Clarke and J.E. Pringle, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 249, 584 (1991).
  72. V.P. Grinin and T.V. Demidova, Astron. Letters, 50(3), 194 (2024).
  73. M.G. Malygin, H. Klahr, D. Semenov, T. Henning, and C.P. Dullemond, Astron. and Astrophys. 605, id. A30 (2017), arXiv:1704.06786 [astro-ph.EP].
  74. G. Savin, B. Shabanov, P. Telegin, and A. Baranov, Lobachevskii J. Mathematics 40, 1853 (2019).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Flight trajectories of the center of mass of the falling substance in the celestial-mechanical approximation (colored lines) and calculated taking into account gas-dynamic effects (colored balls). The plane of the disk is shown in translucent white, the inclination and azimuthal lines are indicated in degrees, the radial coordinate is in astronomical units.

Download (297KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The ratio of the total velocity to the local Keplerian velocity at a time of 50 years for four models (from left to right, top to bottom): OP-45, OP-r45, DP-45, DP-r45 on the surface of maximum density.

Download (287KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Values ​​of the coordinate at which the density of the disk matter is maximum in cells at fixed times 150 years from the start of the calculations. The co-directional case (OP-45) is shown on the left, and the retrograde case (OP-r45) on the right.

Download (210KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Surface of maximum density at the time 90 years relative to the start of calculations in the DP-r45 model. The color shows the density in units. The coordinate parallelepiped is shown for scale.

Download (305KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The same as in Fig. 3 for the case of a parabolic orbit crossing the plane of the disk twice.

Download (237KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Values ​​of the coordinate at which the density of the disk matter is maximum depending on the distance ( ) at fixed  (  ) and  (  ) at the moments of time 50 years (blue line), 100 years (red line) and 150 years (black line) from the beginning of the calculations. The case of co-directional fall is shown on the left, and retrograde fall on the right.

Download (289KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Left: change in the mass of matter in the computational domain depending on time. Solid lines correspond to models with double intersection of the disk plane, dashed lines with single intersection. The black dashed line on the left graph shows the initial mass of the disk (without the jet matter). On the right is the accretion rate into a sphere of radius AU depending on the model. The legend is common for both graphs.

Download (274KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. The color shows the ray concentration of dust matter depending on the direction of the line of sight in azimuth () and inclination () at a time of 10 years. On the left are shown models in which the orbit of the falling matter intersects the plane of the disk once (OP-45 from above and OP-p45 from below), on the right is a double intersection (DP-45 from above and DP-p45 from below) of the disk.

Download (310KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. The same as in Fig. 8 for double intersection of the plane of the disk at angles  (top) and  (bottom).

Download (239KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Optical thickness on the line of sight in the direction and in the band (red line with dots). The black line shows the value for the DP-r45 model.

Download (79KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

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».