Gap opening in protoplanetary discs: gas dynamics from global axisymmetric non-ideal MHD simulations with consistent thermochemistry
Gap opening in protoplanetary discs: gas dynamics from global axisymmetric non-ideal MHD simulations with consistent thermochemistry
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原行星盘中的间隙开口：来自具有一致热化学的全局轴对称非理想 MHD 模拟的气体动力学
DOI：
10.1093/mnras/stad1632
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发表时间：
2023
影响因子：
4.8
通讯作者：
Bae, Jaehan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hu, Xiao;Li, Zhi-Yun;Wang, Lile;Zhu, Zhaohuan;Bae, Jaehan
最近的高角分辨率 ALMA 观测揭示了原行星盘中的许多间隙。一种流行的解释是行星打开了它们。之前大多数对行星间隙张开的研究都集中在粘性盘上。在这里，我们对具有一致热化学性质的风发射非理想 MHD 盘中的行星打开间隙进行 2D（轴对称）全局模拟。我们发现行星打开的间隙中极向磁通量高度集中，其中气体动力学受磁力支配。磁场还在间隙的内边缘和外边缘附近的较致密的圆盘区域中驱动快速（接近音速）的子午气体循环，这可以通过高分辨率分子线观测来观察到。该间隙比其更密集的周围区域更电离，具有更好的磁场-物质耦合。特别是，它具有更高丰度的分子离子 HCO+，这与 ALMA 对经过充分研究的 AS 209 原行星盘的观察结果一致，该原行星盘具有显着的间隙和达到局部声速的快速子午运动。最后，我们提供了作为圆盘局部密度函数的双极和欧姆扩散率的拟合公式，该公式可用于未来非理想 MHD 圆盘中行星间隙张开的 3D 模拟，其中热化学的计算成本太高，无法与磁流体动力学自洽地演化。
Recent high angular resolution ALMA observations have revealed numerous gaps in protoplanetary discs. A popular interpretation has been that planets open them. Most previous investigations of planet gap-opening have concentrated on viscous discs. Here, we carry out 2D (axisymmetric) global simulations of gap opening by a planet in a wind-launching non-ideal MHD disc with consistent thermochemistry. We find a strong concentration of poloidal magnetic flux in the planet-opened gap, where the gas dynamics are magnetically dominated. The magnetic field also drives a fast (nearly sonic) meridional gas circulation in the denser disc regions near the inner and outer edges of the gap, which may be observable through high-resolution molecular line observations. The gap is more ionized than its denser surrounding regions, with a better magnetic field–matter coupling. In particular, it has a much higher abundance of molecular ion HCO+, consistent with ALMA observations of the well-studied AS 209 protoplanetary disc that has prominent gaps and fast meridional motions reaching the local sound speed. Finally, we provide fitting formulae for the ambipolar and Ohmic diffusivities as a function of the disc local density, which can be used for future 3D simulations of planet gap-opening in non-ideal MHD discs where thermochemistry is too computationally expensive to evolve self-consistently with the magneto-hydrodynamics.
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