home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TeX 1995 July / TeX CD-ROM July 1995 (Disc 1)(Walnut Creek)(1995).ISO / macros / plain / contrib / springer / aa / aa.dem < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1991-02-24  |  17.0 KB  |  409 lines

  1. %%==================================================================%%
  2. %%                                                                  %%
  3. %%                                                                  %%
  4. %%                                                                  %%
  5. %%                      A S T R O N O M Y                           %%
  6. %%                                                                  %%
  7. %%                           AND                                    %%
  8. %%                                                                  %%
  9. %%                  A S T R O P H Y S I C S                         %%
  10. %%                                                                  %%
  11. %%                                                                  %%
  12. %%   Plain TeX Support                           Version 2.0, 1991  %%
  13. %%                                                                  %%
  14. %%   This is file AA.DEM the demonstration file of the macro        %%
  15. %%   package                                                        %%
  16. %%   Version 2.0 as of 25 Feb 1991                                  %%
  17. %%                                                                  %%
  18. %%==================================================================%%
  19. %
  20. \def\DXDYCZ#1#2#3{\left({\partial#1\over\partial#2}\right)_{#3}}
  21. %
  22. \input aa.cmm
  23. %
  24. \MAINTITLE{ Hydrodynamics of giant planet formation }
  25. %
  26. \SUBTITLE{ I. Overviewing the $\kappa$-mechanism }
  27. %
  28. \AUTHOR{ G. Wuchterl }
  29. %
  30. \INSTITUTE{ Institut f\"ur Theoretische
  31.              Astrophysik der Universit\"at
  32.              Heidelberg, Im Neuenheimer
  33.              Feld 561,\newline
  34.              W--6900 Heidelberg, Federal Republic of Germany\newline
  35.              EARN: WCAH at DS0RUS1I
  36.              }
  37. %
  38. \DATE{ Received September 15, 1989; accepted March 16, 1990 }
  39. %
  40. \ABSTRACT{
  41.    To investigate the physical nature of the `nucleated instability'
  42.    of proto giant planets (Mizuno 1980), the stability of layers
  43.    in static,
  44.    radiative gas spheres is analysed on the basis of Baker's
  45.    1966 standard one-zone model. It is shown that stability
  46.    depends only upon the equations of state, the opacities
  47.    and the local thermodynamic state in the layer. Stability
  48.    and instability can therefore be expressed in the form
  49.    of stability equations of state which are universal for a
  50.    given composition.
  51.  
  52.    The stability equations of state are
  53.    calculated for solar composition and are displayed in the domain
  54.    $-14 \leq \lg \rho / {\rm [g\, cm^{-3}]} \leq 0 $,
  55.    $ 8.8 \leq \lg e / {\rm [erg\, g^{-1}]} \leq 17.7$. These displays
  56.    may be
  57.    used to determine the one-zone stability of layers in stellar
  58.    or planetary structure models by directly reading off the value of
  59.    the stability equations for the thermodynamic state of these layers,
  60.    specified
  61.    by state quantities as density $\rho$, temperature $T$ or
  62.    specific internal energy $e$.
  63.    Regions of instability in the $(\rho,e)$-plane are described
  64.    and related to the underlying microphysical processes.
  65.    Vibrational instability is found to be a common phenomenon
  66.    at temperatures lower than the second He ionisation
  67.    zone. The $\kappa$-mechanism is widespread under `cool'
  68.    conditions.}
  69. %
  70. \KEYWORDS{ giant planet formation --
  71.                 $\kappa$-mechanism --
  72.                 stability of gas spheres
  73.                }
  74. %
  75. \THESAURUS{
  76.               06         % A&A Section 6: Form. struct. and evolut. of stars
  77.               (03.11.1;  % Cosmogony,
  78.                16.06.1;  % Planets and satellites: general,
  79.                19.06.1;  % Solar system: general,
  80.                19.37.1;  % Stars: formation of,
  81.                19.53.1;  % Stars: oscillations of,
  82.                19.63.1)  % Stars: structure of.
  83.              }
  84. %
  85. \maketitle
  86. %
  87. \titlea {Introduction}
  88.    In the {\it nucleated instability\/} (also called core
  89.    instability) hypothesis of giant planet
  90.    formation, a critical mass for static core  envelope
  91.    protoplanets has been found. Mizuno (1980) determined
  92.    the critical mass of the core to be about $12 \,M_\oplus$
  93.    ($M_\oplus=5.975 \, 10^{27}\rm \,g$ is the Earth mass), which
  94.    is independent of the outer boundary
  95.    conditions and therefore independent of the location in the
  96.    solar nebula. This critical value for the core mass corresponds
  97.    closely to the cores of today's giant planets.
  98.  
  99.    Although no hydrodynamical study was available many workers
  100.    conjectured that a collapse or rapid contraction will ensue
  101.    after accumulating the critical mass. The main motivation for
  102.    this article is to investigate the stability of the static
  103.    envelope at the critical mass. With this aim the local, linear
  104.    stability of static radiative gas spheres is investigated on
  105.    the basis of Baker's (1966) standard one-zone model. The
  106.    nonlinear, hydrodynamic evolution of the protogiant planet
  107.    beyond the critical mass, as calculated by Wuchterl (1989),
  108.    will be described in a forthcoming article.
  109.  
  110.    The fact that Wuchterl (1989) found the excitation of
  111.    hydrodynamical waves in his models raises considerable interest
  112.    on the transition from static to dynamic evolutionary phases
  113.    of the protogiant planet at the critical mass.
  114.    The waves
  115.    play a crucial role in the development of the so-called
  116.    nucleated instability in the nucleated instability  hypothesis.
  117.    They lead to the formation of
  118.    shock waves and massive outflow phenomena.
  119.    The protoplanet evolves into a new quasi-equilibrium structure
  120.    with a {\it pulsating} envelope, after the mass  loss  phase
  121.    has declined.
  122.  
  123.    Phenomena similar to the ones described above for giant planet
  124.    formation have been found in hydrodynamical models concerning
  125.    star formation where protostellar cores explode
  126.    (Tscharnuter 1987, Balluch 1988),
  127.    whereas earlier studies found quasi-steady collapse flows. The
  128.    similarities in the
  129.    (micro)physics, i.e., constitutive relations of protostellar cores and
  130.    protogiant planets serve as a further motivation for this study.
  131.  
  132. \titlea{Baker's standard one-zone model}
  133.    \begfigwid 4cm {\figure{1}{Adiabatic exponent $\Gamma_1$.
  134.               $\Gamma_1$ is plotted as a function of
  135.               $\lg$ internal energy $\rm [erg\,g^{-1}]$ and $\lg$ density
  136.               $\rm [g\,cm^{-3}]$}}\endfig
  137. %
  138.    In this section the one-zone model of Baker (1966), originally
  139.    used to study the Cephe{\"{\i}}d pulsation mechanism, will
  140.    be briefly reviewed. The resulting stability criteria will
  141.    be rewritten in terms of local state variables, local timescales
  142.    and constitutive relations.
  143.  
  144.    Baker (1966) investigates the stability of thin layers in
  145.    self-gravitating,
  146.    spherical gas clouds with the following properties:
  147.    \medskip
  148.       \item{--} hydrostatic equilibrium,
  149.       \item{--} thermal equilibrium,
  150.       \item{--} energy transport by grey radiation diffusion.
  151.    \medskip\noindent
  152.    For the one-zone-model Baker obtains necessary conditions
  153.    for dynamical, secular and vibrational (or pulsational)
  154.    stability [Eqs.\ (34a,\,b,\,c) in Baker 1966]. Using Baker's
  155.    notation:
  156.    \medskip
  157.    \halign{$#$\hfil\quad&#\hfil\cr
  158.          M_{\rm r}  & mass internal to the radius $r$     \cr
  159.          m          & mass of the zone                    \cr
  160.          r_0        & unperturbed zone radius             \cr
  161.          \rho_0     & unperturbed density in the zone     \cr
  162.          T_0        & unperturbed temperature in the zone \cr
  163.          L_{r0}     & unperturbed luminosity              \cr
  164.          E_{\rm th} & thermal energy of the zone          \cr}
  165.    \medskip\noindent
  166.    and with the definitions of the {\it local cooling time\/}
  167.    (see Fig. 1)
  168.    $$
  169.       \tau_{\rm co} = {E_{\rm th}\over L_{r0}} \,,\eqno\autnum
  170.    $$
  171.    and the {\it local free-fall time\/}
  172.    $$
  173.       \tau_{\rm ff} =
  174.          \sqrt{ {3 \pi\over 32 G}
  175.          {4\pi r_0^3\over 3 M_{\rm r}} }\,,\eqno\autnum
  176.    $$
  177.    Baker's $K$ and $\sigma_0$ have the following form:
  178.    $$\eqalignno{
  179.       \sigma_0 & =  {\pi\over \sqrt{8}}
  180.                     {1\over \tau_{\rm ff} } &\autnum\cr
  181.       K        & =  {\sqrt{32}\over \pi} {1\over \delta}
  182.                         { \tau_{\rm ff} \over
  183.                               \tau_{\rm co} }\,;&\autnum\cr}
  184.    $$
  185.    where $ E_{\rm th} \approx m (P_0/{\rho_0})$ has been used and
  186.    $$
  187.       \delta = - \left(
  188.                     { \partial \ln \rho \over \partial \ln T }
  189.                  \right)_P\eqno\autnum
  190.    $$
  191.    is a thermodynamical quantity which is
  192.    equal to $1$ for nonreacting mixtures of classical perfect
  193.    gases.
  194.    The physical meaning of $ \sigma_0 $ and $K$ is clearly visible in
  195.    the equations above. $\sigma_0$ represents a frequency of the order one
  196.    per free-fall time. $K$ is
  197.    proportional to the ratio of the free-fall time and the cooling time.
  198.    Substituting into Baker's criteria, using thermodynamic identities
  199.    and definitions of thermodynamic quantities,
  200.    $$
  201.       \Gamma_1        = \DXDYCZ{\ln P}{\ln \rho}{S}    \; , \;
  202.       \chi^{}_\rho    = \DXDYCZ{\ln P}{\ln \rho}{T}    \; , \;
  203.       \kappa^{}_{P}   = \DXDYCZ{\ln \kappa}{\ln P}{T}  \, ,\eqno\autnum
  204.    $$
  205.    $$
  206.       \nabla_{\rm ad} = \DXDYCZ{\ln T}{\ln P}{S}       \; , \;
  207.       \chi^{}_T       = \DXDYCZ{\ln P}{\ln T}{\rho}    \; , \;
  208.       \kappa^{}_{T}   = \DXDYCZ{\ln \kappa}{\ln T}{T}  \, ,\eqno\autnum
  209.    $$
  210.    one obtains, after some pages of algebra, the conditions for
  211.    {\it stability} given
  212.    below:
  213.    $$\eqalignno{
  214.       {\pi^2\over 8} {1\over \tau_{\rm ff}^2}
  215.                 ( 3 \Gamma_1 - 4 )
  216.          & > 0 &\autnum\cr
  217.       {\pi^2\over \tau_{\rm co}
  218.                    \tau_{\rm ff}^2}
  219.                    \Gamma_1 \nabla_{\rm ad}
  220.                    \left[ { 1- 3/4 \chi^{}_\rho \over \chi^{}_T }
  221.                           ( \kappa^{}_T - 4 )
  222.                         + \kappa^{}_P + 1
  223.                    \right]
  224.         & > 0 &\autnum\cr
  225.      {\pi^2\over 4} {3\over \tau_{ \rm co }
  226.                               \tau_{ \rm ff }^2
  227.                              }
  228.          \Gamma_1^2 \, \nabla_{\rm ad} \left[
  229.                                    4 \nabla_{\rm ad}
  230.                                    - ( \nabla_{\rm ad} \kappa^{}_T
  231.                                      + \kappa^{}_P
  232.                                      )
  233.                                    - {4\over 3 \Gamma_1}
  234.                                 \right]
  235.         & >  0 &\autnum\cr}
  236.    $$
  237. %
  238.    For a physical discussion of the stability criteria see Baker (1966)
  239.    or Cox (1980).
  240.  
  241.    We observe that these criteria for dynamical, secular and
  242.    vibrational stability, respectively, can be factorized into
  243.    \medskip
  244.       \item{1.} a factor containing local timescales only,
  245.       \item{2.} a factor containing only constitutive relations and
  246.          their derivatives.
  247.    \medskip\noindent
  248.    The first factors, depending on only timescales, are positive
  249.    by definition. The signs of the left hand sides of the
  250.    inequalities~(8), (9) and (10)
  251.    therefore depend exclusively on the second factors containing
  252.    the constitutive relations. Since they depend only
  253.    on state variables, the stability criteria themselves are {\it
  254.    functions of the thermodynamic state in the local zone}. The
  255.    one-zone stability can therefore be determined
  256.    from a simple equation of state, given for example, as a function
  257.    of density and
  258.    temperature. Once the microphysics, i.e.\ the thermodynamics
  259.    and opacities (see Table~1), are specified (in practice
  260.    by specifying a chemical composition) the one-zone stability can
  261.    be inferred if the thermodynamic state is specified.
  262.    The zone -- or in
  263.    other words the layer -- will be stable or unstable in
  264.    whatever object it is imbedded as long as it satisfies the
  265.    one-zone-model assumptions. Only the specific growth rates
  266.    (depending upon the time scales) will be different for layers
  267.    in different objects.
  268.  
  269.    \begtabfull
  270.       \tabcap{1}{Opacity sources}
  271.       \halign{#\hfil\qquad&$#$\hfil\cr
  272.             \noalign{\hrule}
  273.             \noalign{\medskip}
  274.             Source      &  T / {[\rm K]} \cr
  275.             \noalign{\medskip}
  276.             \noalign{\hrule}
  277.             \noalign{\medskip}
  278.             Yorke 1979, Yorke 1980a & \leq 1700             \cr
  279.             Kr\"ugel 1971           & 1700 \leq T \leq 5000 \cr
  280.             Cox \& Stewart 1969     & 5000 \leq             \cr
  281.             \noalign{\medskip}
  282.             \noalign{\hrule}}
  283.    \endtab
  284.    \begtabemptywid 4cm
  285.       \tabcap{2}{Regions of secular instability}
  286.    \endtab
  287.    We will now write down the sign (and therefore stability)
  288.    determining parts of the left-hand sides of the inequalities
  289.    (8), (9) and (10) and thereby
  290.    obtain {\it stability equations of state}.
  291.  
  292.    The sign determining part of inequality~(8) is
  293.    $3\Gamma_1 - 4$ and it reduces to the
  294.    criterion for dynamical stability
  295.    $$
  296.      \Gamma_1 > {4\over 3}\,.\eqno\autnum
  297.    $$
  298.    Stability of the thermodynamical equilibrium demands
  299.    $$
  300.       \chi^{}_\rho > 0, \;\;  c_v > 0\, ,\eqno\autnum
  301.    $$
  302.    and
  303.    $$
  304.       \chi^{}_T > 0\eqno\autnum
  305.    $$
  306.    holds for a wide range of physical situations.
  307.    With
  308.    $$\eqalignno{
  309.       \Gamma_3 - 1 = {P\over \rho T}{\chi^{}_T\over c_v}&>0&\autnum\cr
  310.       \Gamma_1     = \chi_\rho^{} + \chi_T^{}(\Gamma_3-1)&>0&\autnum\cr
  311.       \nabla_{\rm ad}  = {\Gamma_3 - 1\over\Gamma_1}&>0&\autnum\cr}
  312.    $$
  313.    we find the sign determining terms in inequalities~(9)
  314.    and (10) respectively and obtain the following form
  315.    of the criteria for dynamical, secular and vibrational
  316.    {\it stability}, respectively:
  317.    $$\eqalignno{
  318.       3 \Gamma_1 - 4 =: S_{\rm dyn}     & > 0 &\autnum\cr
  319. %
  320.       { 1- 3/4 \chi^{}_\rho\over \chi^{}_T } ( \kappa^{}_T - 4 )
  321.          + \kappa^{}_P + 1 =: S_{\rm sec} & > 0 &\autnum\cr
  322. %
  323.       4 \nabla_{\rm ad} - ( \nabla_{\rm ad} \kappa^{}_T + \kappa^{}_P )
  324.                                    - {4\over 3 \Gamma_1} =: S_{\rm vib}
  325.                                 & > 0\,. &\autnum\cr}
  326.    $$
  327.    The constitutive relations are to be evaluated for the
  328.    unperturbed thermodynamic state (say $(\rho_0, T_0)$) of the zone.
  329.    We see that the one-zone stability of the layer depends only on
  330.    the constitutive relations $\Gamma_1$,
  331.    $\nabla_{\rm ad}$, $\chi_T^{},\,\chi_\rho^{}$,
  332.    $\kappa_P^{},\,\kappa_T^{}$.
  333.    These depend only on the unperturbed
  334.    thermodynamical state of the layer. Therefore the above relations
  335.    define the one-zone-stability equations of state
  336.    $S_{\rm dyn},\,S_{\rm sec}$
  337.    and $S_{\rm vib}$. See Fig.~2 for a picture of
  338.    $S_{\rm vib}$. Regions of secular instability are
  339.    listed in Table~2.
  340.  
  341.    \begfig 5cm \figure{2}{Vibrational stability equation of state
  342.                $S_{\rm vib}(\lg e, \lg \rho)$.
  343.                $>0$ means vibrational stability
  344.               }
  345.    \endfig
  346.  
  347. \titlea{Conclusions}
  348.       \item{1.} The conditions for the stability of static, radiative
  349.          layers in gas spheres, as described by Baker's (1966) standard
  350.          one-zone model, can be expressed as stability equations
  351.          of state. These stability equations of state depend only on
  352.          the local thermodynamic state of the layer.
  353.       \item{2.} If the constitutive relations -- equations of state and
  354.          Rosseland mean opacities -- are specified, the stability
  355.          equations of state can be evaluated without specifying
  356.          properties of the layer.
  357.       \item{3.} For solar composition gas the $\kappa$-mechanism is
  358.          working in the regions of the ice and dust features
  359.          in the opacities, the $\rm H_2$ dissociation and the
  360.          combined H, first He ionization zone, as
  361.          indicated by vibrational instability. These regions
  362.          of instability are much larger in extent and degree of
  363.          instability than the second He ionization zone
  364.          that drives the Cephe{\"\i}d pulsations.
  365.  
  366.    \acknow{Part of this work was supported by the German
  367.       {\it Deut\-sche For\-schungs\-ge\-mein\-schaft, DFG\/} project
  368.       number Ts~17/2--1.}
  369.  
  370. \begref{References}
  371.  
  372.    \ref Baker N., 1966,
  373.       in: Stellar Evolution,
  374.       eds.\ R. F. Stein, A. G. W. Cameron,
  375.       Plenum, New York, p.\ 333
  376.  
  377.    \ref Balluch M., 1988,
  378.       A\&A 200, 58
  379.  
  380.    \ref Cox J. P., 1980,
  381.       Theory of Stellar Pulsation,
  382.       Princeton University Press, Princeton, p.\ 165
  383.  
  384.    \ref Cox A. N., Stewart J. N., 1969,
  385.       Academia Nauk, Scientific Information 15, 1
  386.  
  387.    \ref Kr\"ugel E., 1971,
  388.       Der Rosselandsche Mittelwert bei tiefen Temperaturen,
  389.       Diplom--Thesis, Univ.\ G\"ottingen
  390.  
  391.    \ref Mizuno H., 1980,
  392.       Prog. Theor. Phys. 64, 544
  393.  
  394.    \ref Tscharnuter W. M., 1987,
  395.       A\&A 188, 55
  396.  
  397.    \ref Wuchterl G., 1989,
  398.       Zur Entstehung der Gasplaneten.\ Ku\-gel\-sym\-me\-tri\-sche
  399.        Gas\-str\"o\-mun\-gen auf Pro\-to\-pla\-ne\-ten,
  400.        Dissertation, Univ.\ Wien
  401.  
  402.    \ref Yorke H. W., 1979,
  403.       A\&A 80, 215
  404.  
  405.    \ref Yorke H. W., 1980a,
  406.       A\&A 86, 286
  407. \endref
  408. \bye
  409.