Protoplanetary disc size limited by stellar encounters Giovanni - - PowerPoint PPT Presentation

Protoplanetary disc size limited by stellar encounters

Giovanni Rosotti (IoA, Munich)

David Booer, Dominika Boneberg, Cathie Clarke (IoA) James Dale, Barbara Ercolano, David Hubber (USM, Excellent cluster) Maria de Juan Ovelar (Liverpool) Diederik Kruijssen (MPA Munich) Stefanie Walch (Cologne) Carlo Manara (ESA ESTEC) with:

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

PROTOPLANETARY ¡DISCS ¡DISPERSAL

Mamajek ¡09

Timescale ¡for ¡(giant) ¡planet ¡forma;on: ¡~1-­‑10 ¡Myr ¡ e.g. ¡Pollack ¡1996, ¡Movshovitz ¡2010

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Dispersal mechanisms

• Viscous ¡evolu;on ¡(accre;on ¡onto ¡the ¡star) ¡

(Lynden-­‑Bell ¡& ¡Pringle ¡74, ¡Hartmann ¡98) ¡

• Photoevapora;on ¡
• Internal ¡
• External ¡

(Clarke ¡2001; ¡Alexander+ ¡2004, ¡Adams ¡2004) ¡

• Planet ¡forma;on ¡itself ¡

(Armitage ¡& ¡Hansen ¡1999; ¡Rice ¡2003+; ¡Zhu ¡2010+) ¡

• Encounters ¡with ¡stars ¡

(Scally ¡& ¡Clarke ¡2001, ¡Olczak ¡& ¡Pfalzner ¡2005, ¡...) ¡

• (Winds, ¡ou`lows, ¡supernovae, ¡...) ¡

ENVIRONMENT ¡ DRIVEN ¡

Stars ¡do ¡not ¡form ¡in ¡ isola;on ¡(e.g. ¡Lada ¡& ¡Lada ¡

2003, ¡Gieles ¡& ¡Portegies ¡Zwart ¡ 2011)

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Efgects of the environment?

• Sicilia-­‑Aguilar+ ¡2013: ¡Coronet ¡cluster ¡(50 ¡stars, ¡0.15 ¡pc) ¡discs ¡seem ¡much ¡

more ¡evolved ¡than ¡clusters ¡of ¡same ¡age ¡(and ¡even ¡of ¡some ¡older ¡ones) But ¡disc ¡frac;on ¡can ¡increase ¡going ¡outwards ¡(e.g., ¡Bik+ ¡2014, ¡W3), ¡and ¡ the ¡mass ¡accre;on ¡rate ¡decreases ¡in ¡the ¡ONC

ONC, ¡Manara ¡(private ¡communica;on)

Planets ¡seem ¡to ¡be ¡present ¡also ¡in ¡clusters ¡(e.g., ¡Quinn+ ¡2012, ¡13, ¡Meibom

+ ¡13, ¡Brucalassi+ ¡14)

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

N-body/SPH approach

We ¡simulate ¡the ¡viscous ¡evolu7on ¡and ¡the ¡encounters ¡ Hybrid ¡SPH/N-­‑body ¡Simula7on ¡(Hubber+ ¡2012) ¡ Combine ¡SPH ¡with ¡N-­‑body ¡collisional ¡dynamics ¡

• 100 ¡stars, ¡Plummer ¡sphere, ¡r=0.1 ¡pc ¡
• Stars ¡have ¡same ¡mass: ¡1 ¡M⊙ ¡
• 50 ¡discs ¡around ¡them, ¡m=5% ¡star ¡mass ¡
• Evolve ¡for ¡t=0.5 ¡Myr ¡

The ¡discs ¡will ¡viscously ¡expand ¡(not ¡included ¡in ¡previous ¡ studies) ¡and ¡feel ¡the ¡gravita;onal ¡interac;on ¡of ¡the ¡nearby ¡ stars Previous ¡studies: ¡N-­‑body ¡simula;ons ¡+ ¡post-­‑processing ¡ using ¡simula;ons ¡of ¡single ¡disc-­‑star ¡encounters ¡

(Scally ¡& ¡Clarke ¡2001, ¡Olczak ¡& ¡Pfalzner ¡2005, ¡Pfalzner+ ¡2008, ¡2009, ¡2011, ¡Steinhausen+ ¡2014)

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Evolution

Rosoh+14

x/0.1 ¡pc y/0.1 ¡pc

x [ pc ] y [ pc ]

• 0.07
• 0.065
• 0.078
• 0.076
• 0.074
• 0.072
• 0.07
• 8
• 6
• 4

log column density [ g/cm-2]

100000 200000 300000 400000 500000

Time [yr]

104 103 102 101

Mass [M]

101 102 103 104

Distance to closest star [au]

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Interaction example

101 100 101 102 103

min(Distance to closest star / disc size)

104 103 102

Final disc mass [M]

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035

Final disc masses [M]

5 10 15 20 25 30 35 40

N

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Efgects on disc mass...

Some ¡disc ¡drama;cally ¡affected ¡ but ¡overall ¡likle ¡effect

50 100 150 200 250 300

Final disc radii [au]

5 10 15 20 25

N

10−1 100 101 102 103

min(Distance to closest star / disc size)

50 100 150 200 250 300 350

Final disc radius [AU]

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

and on disc size

Much ¡more ¡affected

Disc ¡in ¡ isola;on Median

20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Distance from the center of mass [au]

102 103 104 105 106

Distance of closest encounter [au]

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

How close do stars get?

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Rosoh+14

Efgect of initial disc size

100000 200000 300000 400000

Time [yr]

1 2 3 4 5 6 7 8

Radius (t) / Radius (t0)

R30 R100 R300

Median ¡vs ¡disc ¡in ¡isola;on

Equilibrium ¡ reached

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

A semi-analytical model

• Note: ¡spreading ¡in ¡simula;on ¡is ¡controlled ¡by ¡ar7ficial ¡viscosity, ¡which ¡mimics ¡the ¡

physical ¡viscosity ¡(cf. ¡Artymowicz ¡& ¡Lubow ¡1994, ¡Lodato ¡& ¡Price ¡2010) ¡

• Look ¡at ¡close ¡encounters ¡
• Assume ¡encounters ¡truncate ¡the ¡disc ¡at ¡r/3 ¡(e.g. ¡Breslau ¡2014; ¡remember ¡here ¡

stars ¡equal ¡masses) ¡

• If ¡disc ¡was ¡truncated, ¡reset ¡disc ¡size ¡and ¡grow ¡again

Rdisc(t, R0, tν,0) =

✓

1 + t tν,0

◆1/(2γ)

R0,

• Fit ¡disc ¡evolu;on ¡in ¡isola;on ¡(evolu;on ¡described ¡by):

Run Rout[au] γ tν [yr] αSS tspread[yr] αSS,local R10 10 1.11 18891 0.045 16800 0.1 R30 30 0.44 23218 0.062 36220 0.45 R100 100

• 1.69

11762 0.133 43400 5.4 R300 300

• 3.19

25432 0.161 132000 13

able tion, for pointed matter done

101 102 103 104 105 106

Distance closest encounter [au]

101 102 103 104

Disc radius [au] Run R10

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

A semi-analytical model (2)

101 102 103 104 105 106

Distance closest encounter [au]

102 103 104

Disc radius [au] Run R300

Effect ¡of ¡distant ¡encounters? Simula;on Model

100 200 300 400

rtr [au] x

100 101 102 103

Σ∗ [pc−2]

10−2 10−1 100

pKS

95% CL 99% CL 20/bin 25/bin 30/bin

100

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Comparison with observations

de ¡Juan ¡Ovelar+, ¡12

SIMULATIONS OBSERVATIONS

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Evolution of a single disc

Can ¡simulate ¡one ¡disc ¡at ¡;me ¡at ¡much ¡higher ¡resolu;on ¡(10 ¡;mes) ¡ Chose ¡“interes;ng” ¡discs ¡from ¡previous ¡simula;on ¡and ¡resimulated ¡ them

Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Comparison - isolation vs cluster

CONCLUSIONS

• Evolu;on ¡of ¡discs ¡in ¡a ¡clustered ¡environment ¡
• Encounter-­‑driven ¡mass ¡loss: ¡
• can ¡be ¡drama;c ¡
• but ¡do ¡not ¡expect ¡the ¡majority ¡of ¡disks ¡to ¡go ¡

through ¡it ¡

• Encounter-­‑driven ¡size ¡reduc;on: ¡
• encounters ¡truncate ¡the ¡disc ¡
• turnover ¡in ¡disc ¡size ¡seems ¡consistent ¡with ¡
• bserva;ons ¡(threshold ¡at ¡~2-­‑3 ¡x ¡10^3 ¡pc^-­‑2) ¡
• Disc ¡evolu;on ¡is ¡controlled ¡by ¡the ¡outer ¡radius, ¡so ¡

can ¡have ¡a ¡significant ¡effect ¡

• Need ¡to ¡simulate ¡realis;c ¡clusters ¡
• More ¡disc ¡radii ¡needed ¡from ¡observa;ons!