Effect of luminosity outbursts on the amount of pebbles and ice mantles in protoplanetary disks

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Dust growth is one of the key processes leading to planet formation in protoplanetary disks. Centimeter-sized dust grains — pebbles — are essential for the formation of planetesimals through streaming instability and play a crucial role in the formation of protoplanetary cores, giant planets, and the enrichment of their atmospheres with chemical elements. This study investigates the impact of luminosity outbursts on the amount of pebbles and icy mantles in a protoplanetary disk. We perform global simulations of the formation and evolution of a self-gravitating, viscous protoplanetary disk using the two-dimensional thin-disk hydrodynamic code FEOSAD, which self-consistently produces luminosity outbursts. The model includes thermal balance, dust evolution and its interaction with gas, the development of magnetorotational instability, adsorption and desorption of four volatile species (H2O, CO2, CH4, and CO), and the feedback of icy mantles on the fragmentation properties of dust aggregates. Our results show that luminosity outbursts have a stronger impact on the snowlines of CO2, CH4, and CO than on the water snowline. This is because the H2O snowline resides in a region dominated by viscous heating during the early stages of disk evolution, whereas the snowlines of the other molecules lie in regions where stellar irradiation dominates the thermal structure, making them more sensitive to temperature variations induced by the outbursts. Nevertheless, luminosity outbursts lead to a twofold reduction in the total amount of pebbles in the disk due to the fragmentation of dust aggregates into monomers following the loss of water ice, which acts as a binding agent. The reformation of pebbles occurs over several thousand years after the outburst, primarily through collisional coagulation. The characteristic timescales for pebble recovery significantly exceed the freezing timescales of water ice. The desorption of icy mantles occurs in a highly non-axisymmetric and intrinsically two-dimensional region of the disk, which is linked to the formation of spiral substructures during the early evolution of a gravitationally unstable disk.

About the authors

A. P. Topchieva

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Email: ATopchieva@inasan.ru
Moscow, Russia

T. S. Molyarova

Research Institute of Physics, Southern Federal University

Rostov-on-Don, Russia

E. I. Vorobyov

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences; Research Institute of Physics, Southern Federal University

Moscow, Russia; Rostov-on-Don, Russia

References

  1. A. Morbidelli, M. Lambrechts, S. Jacobson, and B. Bitsch, Icarus 258, 418 (2015), arXiv:1506.01666 [astro-ph.EP].
  2. A. Johansen and M. Lambrechts, Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 45(1), 359 (2017).
  3. A.N. Youdin and J. Goodman, 620(1), 459 (2005), arXiv:astro-ph/0409263.
  4. D. Carrera, A. Johansen, and M.B. Davies, Astron. and Astrophys. 579, id. A43 (2015), arXiv:1501.05314 [astro-ph.EP].
  5. L. Testi, T. Birnstiel, L. Ricci, S. Andrews, 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. 339, arXiv:1402.1354 [astro-ph.SR].
  6. G. Wurm, G. Paraskov, and O. Krauss, Phys. Rev. E 71(2), id. 021304 (2005).
  7. J. Blum and G. Wurm, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 46, 21 (2008).
  8. T. Steinpilz, J. Teiser, and G. Wurm, 874(1), id. 60 (2019), arXiv:1905.11864 [astro-ph.EP].
  9. C. Pillich, T. Bogdan, J. Landers, G. Wurm, and H. Wende, Astron. and Astrophys. 652, id. A106 (2021), arXiv:2108.08034 [astro-ph.EP].
  10. V.G. Elbakyan, A. Johansen, M. Lambrechts, V. Akimkin, and E.I. Vorobyov, Astron. and Astrophys. 637, id. A5 (2020), arXiv:2004.00126 [astro-ph.EP].
  11. E.I. Vorobyov, V.G. Elbakyan, A. Johansen, M. Lambrechts, A.M. Skliarevskii, and O.P. Stoyanovskaya, Astron. and Astrophys. 670, id. A81 (2023), arXiv:2212.01023 [astro-ph.EP].
  12. K. Wada, H. Tanaka, T. Suyama, H. Kimura, and T. Yamamoto, 702(2), 1490 (2009).
  13. B. Gundlach and J. Blum, 798(1), id. 34 (2015), arXiv:1410.7199 [astro-ph.EP].
  14. S. Okuzumi, M. Momose, S.-i. Sirono, H. Kobayashi, and H. Tanaka, 821(2), id. 82 (2016), arXiv:1510.03556 [astro-ph.SR].
  15. S.J. Weidenschilling, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 180, 57 (1977).
  16. S.-i. Sirono, 735(2), id. 131 (2011).
  17. L.A. Cieza, S. Casassus, J. Tobin, S.P. Bos, et al., Nature (London) 535(7611), 258 (2016), arXiv:1607.03757 [astro-ph.SR].
  18. C. Rab, V. Elbakyan, E. Vorobyov, M. Güdel, et al., Astron. and Astrophys. 604, id. A15 (2017), arXiv:1705.03946 [astro-ph.SR].
  19. E.I. Vorobyov, A.M. Skliarevskii, T. Molyarova, V. Akimkin, et al., Astron. and Astrophys. 658, id. A191 (2022), arXiv:2112.06004 [astro-ph.EP].
  20. A. Houge and S. Krijt, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 521(4), 5826 (2023), arXiv:2303.11318 [astro-ph.EP].
  21. A. Topchieva, T. Molyarova, V. Akimkin, L. Maksimova, and E. Vorobyov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 530(3), 2731 (2024), arXiv:2403.02895 [astro-ph.EP].
  22. D. Schoonenberg and C.W. Ormel, Astron. and Astrophys. 602, id. A21 (2017), arXiv:1702.02151 [astro-ph.EP].
  23. 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].
  24. T. Molyarova, E.I. Vorobyov, V. Akimkin, A. Skliarevskii, D. Wiebe, and M. Güdel, 910(2), id. 153 (2021), arXiv:2103.06045 [astro-ph.EP].
  25. J.E. Pringle, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 19, 137 (1981).
  26. N.I. Shakura and R.A. Sunyaev, Astron. and Astrophys. 24, 337 (1973).
  27. E.I. Vorobyov and S. Basu, 719(2), 1896 (2010), arXiv:1007.2993 [astro-ph.SR].
  28. E.I. Vorobyov and V.G. Elbakyan, Astron. and Astrophys. 618, id. A7 (2018), arXiv:1806.07675 [astro-ph.SR].
  29. O.P. Stoyanovskaya, E.I. Vorobyov, and V.N. Snytnikov, Astron. Rep. 62(7), 455 (2018), arXiv:1808.02867 [astro-ph.EP].
  30. E.I. Vorobyov, S. Khaibrakhmanov, S. Basu, and M. Audard, Astron. and Astrophys. 644, id. A74 (2020), arXiv:2011.00951 [astro-ph.SR].
  31. O.P. Stoyanovskaya, F.A. Okladnikov, E.I. Vorobyov, Y.N. Pavlyuchenkov, and V.V. Akimkin, Astron. Rep. 64(2), 107 (2020), arXiv:2102.09155 [astro-ph.EP].
  32. T. Birnstiel, H. Klahr, and B. Ercolano, Astron. and Astrophys. 539, id. A148 (2012), arXiv:1201.5781 [astro-ph.EP].
  33. S.A. Balbus and J.F. Hawley, 376, 214 (1991).
  34. N.J. Turner, S. Fromang, C. Gammie, H. Klahr, G. Lesur, M. Wardle, and X.N. Bai, 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. 411, arXiv:1401.7306 [astro-ph.EP].
  35. K. Kadam, E. Vorobyov, and S. Basu, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 516(3), 4448 (2022), arXiv:2208.12105 [astro-ph.EP].
  36. J. Bae, L. Hartmann, Z. Zhu, and R.P. Nelson, 795(1), id. 61 (2014), arXiv:1409.3891 [astro-ph.SR].
  37. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ábrahám, 882(2), id. 96 (2019), arXiv:1908.02515 [astro-ph.SR].
  38. S.A. Balbus and J.F. Hawley, Rev. Modern Physics 70(1), 1 (1998).
  39. Z. Zhu, L. Hartmann, C.F. Gammie, L.G. Book, J.B. Simon, and E. Engelhard, 713(2), 1134 (2010), arXiv:1003.1759 [astro-ph.SR].
  40. K. Kadam, E. Vorobyov, Z. Regály, Á. Kóspál, and P. Ábrahám, 895(1), id. 41 (2020), arXiv:2005.03578 [astro-ph.SR].
  41. M. Audard, P. Ábrahám, 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].
  42. M.S. Connelley and B. Reipurth, 861(2), id. 145 (2018), arXiv:1806.08880 [astro-ph.SR].
  43. C.W. Ormel and H.H. Klahr, Astron. and Astrophys. 520, id. A43 (2010), arXiv:1007.0916 [astro-ph.EP].
  44. M. Lambrechts and A. Johansen, Astron. and Astrophys. 544, id. A32 (2012), arXiv:1205.3030 [astro-ph.EP].
  45. S. Ida, T. Guillot, and A. Morbidelli, Astron. and Astrophys. 591, id. A72 (2016), arXiv:1604.01291 [astro-ph.EP].
  46. M. Lambrechts, A. Morbidelli, and A. Johansen, in Chondrules as Astrophysical Objects, Ser. LPI Contributions 1975, id. 2010 (2017).
  47. C.T. Lenz, H. Klahr, and T. Birnstiel, 874(1), id. 36 (2019), arXiv:1902.07089 [astro-ph.EP].
  48. D. Schoonenberg, S. Okuzumi, and C.W. Ormel, Astron. and Astrophys. 605, id. L2 (2017), arXiv:1708.03328 [astro-ph.EP].
  49. S.M. Stammler and T. Birnstiel, 935(1), id. 35 (2022), arXiv:2207.00322 [astro-ph.EP].
  50. A. Houge, E. Macas, and S. Krijt, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 527(4), 9668 (2024), arXiv:2312.01856 [astro-ph.EP].
  51. V. Akimkin, E. Vorobyov, Y. Pavlyuchenkov, and O. Stoyanovskaya, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 499(4), 5578 (2020), arXiv:2010.06566 [astro-ph.EP].
  52. K.I. Öberg, A.C. A. Boogert, K.M. Pontoppidan, S. van den Broek, E.F. van Dishoeck, S. Bottinelli, G.A. Blake, and N.J. Evans, II, 740(2), id. 109 (2011), arXiv:1107.5825 [astro-ph.GA].
  53. C. Eistrup, C. Walsh, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 595, id. A83 (2016), arXiv:1607.06710 [astro-ph.EP].
  54. C. Eistrup, C. Walsh, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 613, id. A14 (2018), arXiv:1709.07863 [astro-ph.EP].
  55. J.-E. Lee, E.A. Bergin, and H. Nomura, Letters 710(1), L21 (2010), arXiv:1001.0818 [astro-ph.GA].
  56. C.-E. Wei, H. Nomura, J.-E. Lee, W.-H. Ip, C. Walsh, and T.J. Millar, 870(2), id. 129 (2019), arXiv:1811.10194 [astro-ph.EP].
  57. H. Deng, L. Mayer, and H. Latter, 891(2), id. 154 (2020), arXiv:2001.08693 [astro-ph.EP].
  58. M.M. Dunham, E.I. Vorobyov, and H.G. Arce, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 444(1), 887 (2014), arXiv:1407.6955 [astro-ph.GA].
  59. A. Miotello, S. Bruderer, and E.F. van Dishoeck, Astron. and Astrophys. 572, id. A96 (2014), arXiv:1410.2093 [astro-ph.SR].
  60. T. Molyarova, V. Akimkin, D. Semenov, T. Henning, A. Vasyunin, and D. Wiebe, 849(2), id. 130 (2017), arXiv:1710.02993 [astro-ph.EP].
  61. G. Lodato, L. Rampinelli, E. Viscardi, C. Longarini, et al., Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 518(3), 4481 (2023), arXiv:2211.03712 [astro-ph.EP].
  62. D.S. Wiebe, T.S. Molyarova, V.V. Akimkin, E.I. Vorobyov, and D.A. Semenov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 485(2), 1843 (2019), arXiv:1902.07475 [astro-ph.EP].
  63. E.I. Vorobyov, I. Baraffe, T. Harries, and G. Chabrier, Astron. and Astrophys. 557, id. A35 (2013), arXiv:1307.2271 [astro-ph.SR].
  64. J.J. Tobin, M.L. R. van’t Hoff, M. Leemker, E.F. van Dishoeck, et al., Nature (London) 615(7951), 227 (2023).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 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».