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

Protoplanetary disc size limited by stellar encounters Giovanni Rosotti (IoA, Munich) with: 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)

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 ¡ ENVIRONMENT ¡ • Internal ¡ • External ¡ DRIVEN ¡ (Clarke ¡2001; ¡Alexander+ ¡2004, ¡Adams ¡2004) ¡ Stars ¡do ¡not ¡form ¡in ¡ • Planet ¡forma;on ¡itself ¡ isola;on ¡ (e.g. ¡Lada ¡& ¡Lada ¡ (Armitage ¡& ¡Hansen ¡1999; ¡Rice ¡2003+; ¡Zhu ¡2010+) ¡ 2003, ¡Gieles ¡& ¡Portegies ¡Zwart ¡ 2011) • Encounters ¡with ¡stars ¡ (Scally ¡& ¡Clarke ¡2001, ¡Olczak ¡& ¡Pfalzner ¡2005, ¡...) ¡ • (Winds, ¡ou`lows, ¡supernovae, ¡...) ¡ Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

E fg ects 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 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) 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 Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Evolution y/0.1 ¡pc Rosoh+14 x/0.1 ¡pc Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Interaction example 10 � 1 10 4 Distance to closest star [au] 10 � 2 10 3 Mass [ M � ] log column density [ g/cm -2 ] 10 � 3 10 2 -0.07 -4 -0.072 10 � 4 10 1 0 100000 200000 300000 400000 500000 Time [yr] y [ pc ] -0.074 -6 -0.076 -8 -0.078 -0.07 -0.065 x [ pc ] Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

E fg ects on disc mass... 10 � 2 Final disc mass [ M � ] 10 � 3 40 35 30 25 10 � 4 10 � 1 10 0 10 1 10 2 10 3 N 20 min(Distance to closest star / disc size) 15 Some ¡disc ¡drama;cally ¡affected ¡ 10 but ¡overall ¡likle ¡effect 5 0 0 . 0000 0 . 0005 0 . 0010 0 . 0015 0 . 0020 0 . 0025 0 . 0030 0 . 0035 Final disc masses [ M � ] Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

and on disc size Disc ¡in ¡ 350 Median isola;on 300 250 Final disc radius [AU] 200 150 25 100 20 50 15 0 10 − 1 10 0 10 1 10 2 10 3 N min(Distance to closest star / disc size) 10 5 Much ¡more ¡affected 0 0 50 100 150 200 250 300 Final disc radii [au] Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

How close do stars get? 10 6 Distance of closest encounter [au] 10 5 10 4 10 3 10 2 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 Distance from the center of mass [au] Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

E fg ect of initial disc size Median ¡vs ¡disc ¡in ¡isola;on 8 R30 R100 7 R300 6 Radius ( t ) / Radius ( t 0 ) 5 4 3 Equilibrium ¡ reached 2 1 0 0 100000 200000 300000 400000 Time [yr] Rosoh+14 Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

A semi-analytical model • Fit ¡disc ¡evolu;on ¡in ¡isola;on ¡(evolu;on ¡described ¡by): ◆ 1 / (2 � γ ) ✓ t R disc ( t, R 0 , t ν , 0 ) = 1 + R 0 , t ν , 0 able R out [au] t ν [yr] t spread [yr] Run γ α SS α SS , local tion, R10 10 1.11 18891 0.045 16800 0.1 R30 30 0.44 23218 0.062 36220 0.45 for R100 100 -1.69 11762 0.133 43400 5.4 pointed R300 300 -3.19 25432 0.161 132000 13 matter done • 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 Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

A semi-analytical model (2) Run R10 10 4 10 3 Disc radius [au] Run R300 10 4 10 2 10 1 Disc radius [au] 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Distance closest encounter [au] 10 3 Simula;on Model Effect ¡of ¡distant ¡encounters? 10 2 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Distance closest encounter [au] Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

Comparison with observations SIMULATIONS OBSERVATIONS x 400 300 r tr [au] 200 100 10 0 20/bin 25/bin 30/bin 10 − 1 p KS 95% CL 99% CL 10 − 2 de ¡Juan ¡Ovelar+, ¡12 10 0 10 1 10 2 10 3 10 0 Σ ∗ [pc − 2 ] 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 Giovanni ¡Rosotti, ¡Exoplanets ¡in ¡Lund 6th ¡May ¡2015

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 ¡ observa;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!