[论文解读] The Protostellar Jet Model of Chondrule Formation

Kurt Liffman, M. J. I. Brown|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用 34

一句话总结

本文提出，钙铝钙钛矿球粒是在距离原太阳0.1 AU以内的原恒星喷流中，由千米级天体进入喷流后发生烧蚀形成的液滴。喷流的高速、光学厚流体烧蚀物质，导致其迅速冷却，并通过气体阻力实现尺寸分选；该模型预测，在三重复合球粒中，两个次级球粒因层流或快速自转停止而相互避开，这一预测与现有四例观测球粒的数据一致。

ABSTRACT

A chondrule formation theory is presented where the chondrule formation zone is located within 0.1 AU of the protosun. This hot, optically thick, inner zone of the solar accretion disk is coincident with the formation region of the protosolar jet. The model assumes that particles, ranging in diameter from 1 micron to 1 cm, can be ejected from the inner-accretion disk by the jet flow, and that the angular momentum of this material is sufficient to eject it from the jet flow. Given these assumptions, any material so ejected, will fly across the face of the accretion disk at speeds greater than the escape velocity of the system. This material can only be recaptured through the action of gas drag. Such a capture process naturally produces aerodynamic size sorting of chondrules and chondrule fragments, while the ejection of refractory dust provides a possible explanation for the observed complementarity between matrix and chondrules. This transfer of material will result in the loss of angular momentum from the upper atmosphere of the outer accretion disk and thereby facilitate the accretion of matter onto the protosun.

研究动机与目标

• 通过一种新颖的喷流驱动烧蚀机制，解释太阳系早期球粒的起源。
• 解决球粒形成中尚未解决的问题，包括冷却速率、尺寸限制，以及球粒与基质之间的化学互补性。
• 基于喷流中的流体动力学与动力学约束，预测三重复合球粒的结构配置。
• 通过角动量转移将原恒星喷流活动与原行星盘中增强的吸积联系起来。
• 提供一个统一框架，将球粒的形成、冷却、碎裂与尺寸分选等多种特性整合于单一物理解释之中。

提出的方法

• 将球粒形成建模为千米级（1–10 km）宏观天体进入原太阳0.1 AU以内的高温、高密度原恒星喷流区域时发生的烧蚀过程。
• 利用气体阻力与表面张力平衡关系确定液滴尺寸，其中小于约1 cm的液滴以喷流膨胀速率被喷射并冷却。
• 应用临界气体密度（~10⁻¹¹ g cm⁻³）以确定液滴发生阻尼振荡与再加热的条件。
• 模拟具有足够角动量的粒子从喷流中喷射并逃逸系统，随后通过气体阻力在外部盘面中被重新捕获。
• 建模重新捕获过程中的空气动力学尺寸分选，仅受气体阻力作用的粒子被保留，而较大粒子则逃逸。
• 基于层流与自转停止 timescales 推导三重复合球粒中次级球粒的最小避让角度。

实验结果

研究问题

• RQ1 球粒是否可通过原恒星喷流中较大天体的烧蚀形成？该机制是否能解释其快速冷却速率？
• RQ2 为何复合球粒（尤其是三重球粒）表现出次级球粒相互避开的结构特征？
• RQ3 喷流流体中的何种物理条件决定了球粒的尺寸上限（~1 cm），并阻止更大液滴被喷射？
• RQ4 该喷流模型如何解释普通球粒中球粒与基质之间化学组成的互补性？
• RQ5 喷流机制是否能自然解释球粒的空气动力学尺寸分选及其从内盘的喷射？

主要发现

• 预测球粒作为千米级天体进入原太阳0.1 AU以内的原恒星喷流后形成的烧蚀液滴而形成，液滴半径≤1 cm，源于高能量密度喷流风。
• 该模型预测，在三重复合球粒中，两个次级球粒因层流或快速自转停止而相互避开，其最小避让角度由流体动力学约束推导得出。
• 理论分析表明，气体密度低于~10⁻¹¹ g cm⁻³时，液滴将发生阻尼振荡与再加热，可解释观测到的球粒再加热事件。
• 球粒碎裂发生在高于复合球粒形成高度的位置，此时喷流已冷却，碰撞时球粒为固态。
• 喷流喷射难熔尘埃与球粒，解释了观测到的球粒与基质之间化学组成的互补性，上盘大气中估计存在10⁻⁷–10⁻⁶ M⊙的尘埃。
• 在被喷射粒子的重新捕获过程中，空气动力学尺寸分选自然发生，仅受气体阻力作用的粒子被保留，而运动更快的粒子则逃逸系统。