Testing Models of Disk Formation and Gravito-Viscous Evolution Against Observations of Young Protoplanetary Disks
Auteurs : Fabiola Antonietta Gerosa, Paola Pinilla, Eduard I. Vorobyov, James McKevitt
Résumé scientifique
Young protoplanetary disks have received increasing attention in recent years, due to observations revealing the presence of substructures in disks younger than one million years, suggesting that planet formation may begin earlier than previously thought. Other recent observations have provided new insights into the evolution of gas and dust in these early stages, enabling comparisons with evolved Class II disks. Yet the physical processes governing the earliest stages of disk evolution remain poorly understood. In this paper, we present two-dimensional thin-disk hydrodynamical simulations of the formation and early evolution of protoplanetary disks, under the influence of self-gravity and turbulent viscosity alone. We explore various properties of disks forming from the collapse of clouds with a range of initial masses and we compare our results with surveys of protoplanetary disks across multiple evolutionary stages. Our simulations broadly reproduce key observational constraints, including the mm fluxes of Class 0 disks and the dust disk radii of later stages. However, our models do not explain the observed gas and dust disk masses of Class I and II disks: while they account for the most massive observed disks, they fail to reproduce the least massive ones. We discuss that simulations incorporating the influence of the star-forming environment might be needed to resolve this discrepancy.
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Coevolution of Dust Growth and Gravitational Instability in Massive Protostellar DisksRyota Yamamuro, Ryoki Matsukoba, Kei E. I. Tanaka et al. · 2026 · Solar and Stellar Astrophysics · Résumé IA disponible
Ce travail simule la croissance des grains couplée à l’instabilité gravitationnelle dans des disques protostellaires massifs, tandis que l’article principal compare l’évolution des disques aux observations.
Résumé scientifique
Massive protostellar disks are expected to sustain high accretion rates through gravitational instability, while dust growth may modify their opacity, cooling efficiency, and stability. Conversely, the time-dependent and nonaxisymmetric structures produced by gravitational instability may regulate the local conditions for dust growth. However, the coupled evolution of dust growth and gravitational instability in massive protostellar disks has not yet been explored self-consistently. We present two-dimensional hydrodynamic simulations that follow gas dynamics, dust growth, and opacity-dependent radiative cooling in a massive protostellar disk. We find that dust grains rapidly grow to millimet…
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Evolution of Dust In Protoplanetary Disks With Magnetized WindsOlcay Goksu, Ralph Pudritz, Timmy Delage · 2026 · Earth and Planetary Astrophysics · Résumé IA disponible
Ce modèle étudie l’évolution de la poussière sous accrétion et perte de masse par vents magnétiques, processus absents des simulations limitées à l’auto-gravité et à la viscosité.
En bref
Le modèle montre que les vents magnétisés favorisent la croissance et la concentration verticale des poussières, mais que l’instabilité de streaming reste limitée aux cas extrêmes près de 1 AU.
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Toward a Population Synthesis of Disks and Planets I. Evolution of Dust with Entrainment in Winds and Radiation PressureRemo Burn, Alexandre Emsenhuber, Jesse Weder et al. · 2022 · A&A 666, A73 (2022) · cité 2 fois · Résumé IA disponible
Ce travail utilise une description de la poussière en deux populations pour modéliser les vents photoévaporatifs et la pression radiative dans des disques protoplanétaires.
Résumé scientifique
Millimeter astronomy provides valuable information on the birthplaces of planetary systems. In order to compare theoretical models with observations, the dust component has to be carefully calculated. Here, we aim to study the effects of dust entrainment in photoevaporative winds and the ejection and drag of dust due to effects caused by radiation from the central star. We improved and extended the existing implementation of a two-population dust and pebble description in the global Bern/Heidelberg planet formation and evolution model. Modern prescriptions for photoevaporative winds were used and we account for settling and advection of dust when calculating entrainment rates. In order to pr…
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Exploring the origin of thick disks using the NewHorizon and Galactica simulationsMinjung J. Park, Sukyoung K. Yi, Sebastien Peirani et al. · 2020 · Astrophysics of Galaxies · cité 20 fois · Résumé IA disponible
Cette étude examine l’origine des disques épais d’étoiles dans des galaxies simulées, et non la formation des disques protoplanétaires.
Résumé scientifique
Ever since the thick disk was proposed to explain the vertical distribution of the Milky Way disk stars, its origin has been a recurrent question. We aim to answer this question by inspecting 19 disk galaxies with stellar mass greater than $10^{10}\,\rm M_\odot$ in recent cosmological high-resolution zoom-in simulations: Galactica and NewHorizon. The thin and thick disks are reproduced by the simulations with scale heights and luminosity ratios that are in reasonable agreement with observations. When we spatially classify the disk stars into thin and thick disks by their heights from the galactic plane, the "thick" disk stars are older, less metal-rich, kinematically hotter, and higher in ac…
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Thermochemical constraints on a primordial-origin of gas-rich debris disksH. Mitani, W. Ooyama, R. Nakatani et al. · 2026 · arXiv (Cornell University) preprint · Résumé IA disponible
Cette étude teste l’origine primordiale du gaz dans des disques de débris âgés, à un stade ultérieur à celui des disques protoplanétaires.
En bref
Des disques primordiaux pauvres en poussière restent chimiquement compatibles avec les disques de débris riches en CO sous faible ionisation, mais prédisent une émission de carbone neutre trop étendue.
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Thermochemical constraints on a primordial-origin of gas-rich debris disksH. Mitani, W. Ooyama, R. Nakatani et al. · 2026 · Earth and Planetary Astrophysics · Résumé IA disponible
Cette étude teste l’origine primordiale du gaz dans des disques de débris âgés, à un stade ultérieur à celui des disques protoplanétaires.
En bref
Des disques primordiaux pauvres en poussière peuvent reproduire les contraintes chimiques des disques de débris riches en CO sous faible ionisation, mais leur émission de carbone neutre reste trop étendue.
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SPH Simulations of Counterrotating Disk Formation in Spiral GalaxiesA. R. Thakar, B. S. Ryden · 1998 · astro-ph · cité 46 fois · Résumé IA disponible
Cette étude simule la formation de disques contre-rotatifs dans des galaxies spirales, plutôt que l’évolution de disques protoplanétaires.
Résumé scientifique
We present the results of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simulations of the formation of a massive counterrotating disk in a spiral galaxy. The current study revisits and extends (with SPH) previous work carried out with sticky particle gas dynamics, in which adiabatic gas infall and a retrograde gas-rich dwarf merger were tested as the two most likely processes for producing such a counterrotating disk. We report on experiments with a cold primary similar to our Galaxy, as well as a hot, compact primary modeled after NGC 4138. We have also conducted numerical experiments with varying amounts of prograde gas in the primary disk, and an alternative infall model (a spherical shell with …
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Revised description of dust diffusion and a new instability creating multiple rings in protoplanetary disksRyosuke T. Tominaga, Sanemichi Z. Takahashi, Shu-ichiro Inutsuka · 2019 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 41 fois · Résumé IA disponible
Ce travail formule une description de la diffusion de poussière conservant le moment cinétique et étudie la formation d’anneaux dans les disques protoplanétaires.
Résumé scientifique
Various instabilities have been proposed as a promising mechanism to accumulate dust. Moreover, some of them are expected to lead to the multiple-ring structure formation and the planetesimal formation in protoplanetary disks. In a turbulent gaseous disk, the growth of the instabilities and the dust accumulation are quenched by turbulent diffusion of dust grains. The diffusion process has been often modeled by a diffusion term in the continuity equation for the dust density. The dust diffusion model, however, does not guarantee the angular momentum conservation in a disk. In this study, we first formulate equations that describe the dust diffusion and also conserve the total angular momentum…
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Mis à jour le 10 novembre 2026.