[论文解读] Gravoturbulent formation of planetesimals

Anders Johansen, Hubert Klahr+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出，原行星盘中的磁旋转不稳定性湍流可驱动厘米级大小的岩石碎块聚集成致密团块并发生引力坍缩形成星子，即使整体尘埃层的密度不足以引发不稳定性。湍流产生瞬时的径向气体密度增强，捕获并集中固体物质，使径向漂移速度降低40%，从而在现实条件下实现局部引力不稳定性。

ABSTRACT

We explore the effect of magnetorotational turbulence on the dynamics and concentrations of boulders in local box simulations of a sub-Keplerian protoplanetary disc. The solids are treated as particles each with an independent space coordinate and velocity. We find that the turbulence has two effects on the solids. 1) Meter and decameter bodies are strongly concentrated, locally up to a factor 100 times the average dust density, whereas decimeter bodies only experience a moderate density increase. The concentrations are located in large scale radial gas density enhancements that arise from a combination of turbulence and shear. 2) For meter-sized boulders, the concentrations cause the average radial drift speed to be reduced by 40%. We find that the densest clumps of solids are gravitationally unstable under physically reasonable values for the gas column density and for the dust-to-gas ratio due to sedimentation. We speculate that planetesimals can form in a dust layer that is not in itself dense enough to undergo gravitational fragmentation, and that fragmentation happens in turbulent density fluctuations in this sublayer.

研究动机与目标

• 研究磁旋转不稳定性湍流对亚开普勒原行星盘中固体粒子动力学与集中行为的影响。
• 确定湍流引起的密度增强是否可导致富含尘埃的层发生引力不稳定性。
• 评估厘米级岩石碎块是否能避免快速径向漂移，并通过局部引力坍缩形成星子。
• 评估湍流在星子形成过程中作为催化剂而非破坏性力量的作用。
• 估算致密固体团块发生引力不稳定的最低气体柱密度。

提出的方法

• 对包含嵌入固体粒子的湍流、亚开普勒原行星盘进行局部盒式模拟，固体粒子作为独立示踪物处理。
• 采用磁旋转不稳定性湍流模型模拟湍流流动，气体与尘埃动力学分别求解。
• 追踪厘米、分米和十米级岩石碎块的空间分布与速度，以测量其集中程度与漂移速度。
• 测量气体过密区域的尘气比与柱密度，以评估引力不稳定性潜力。
• 基于理查德森数准则评估湍流结构对开尔文-赫姆霍兹不稳定的稳定性。
• 通过简化模型估算引力不稳定性阈值，假设在致密团块中局部自引力占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘中的湍流是否足以使厘米级岩石碎块在局部实现足够集中，从而触发引力坍缩？
• RQ2 磁旋转不稳定性湍流如何影响厘米级固体的径向漂移速度？
• RQ3 致密固体团块发生引力不稳定的最低气体柱密度是多少？
• RQ4 湍流引起的瞬时气体密度增强是否能有效捕获并集中固体物质？
• RQ5 由湍流驱动的集中机制是否足够稳健，能够克服径向漂移屏障与碎裂极限？

主要发现

• 由于大尺度径向气体密度增强的捕获作用，厘米级岩石碎块的局部浓度可达到平均尘埃密度的100倍。
• 由于这些集中效应，厘米级岩石碎块的平均径向漂移速度降低了40%。
• 分米级天体的密度仅出现中等程度增加，而十米级天体的集中程度更弱。
• 在物理上合理的气体柱密度和尘气比条件下，最致密的固体团块具有引力不稳定性。
• 即使在整体上不足以引发碎裂的垂直沉积尘埃层中，只要湍流产生瞬时的高密度区，引力不稳定性仍可发生。
• 模拟结果表明，湍流并非破坏性力量，而是通过生成必要的密度涨落，成为星子形成的点火机制。