Dust size distributions in coagulation/fragmentation equilibrium: Numerical solutions and analytical fits
上下文星周盘中的颗粒被认为是通过相互碰撞和随后的表面力粘附而生长的。许多涉及星周盘的研究领域,如辐射转移计算、盘化学、磁流体动力学模拟等,其结果在很大程度上依赖于未知的颗粒尺寸分布。目标。由于晶粒生长和破碎的详细计算都是数值上的挑战和计算昂贵的,我们的目标是找到简单的配方和分析解决方案的晶粒尺寸分布在拱星盘的情况下,晶粒生长是有限的破碎和径向漂移可以忽略不计。方法.我们推广了以前的自相似稳态晶粒分布的分析工作。进行数值模拟,以确定在何种条件下的晶粒尺寸分布可以理解的幂律分布的组合。一个物理动机拟合公式的晶粒尺寸分布推导出使用我们的分析预测和数值模拟。结果我们发现解析结果和数值解的Smoluchowski方程的简单形状的核函数之间的协议。更复杂和现实的情况下的结果可以拟合本文提出的物理动机的“黑匣子”配方。研究结果表明,粉尘分布的形状主要受气体表面密度(而不是粉尘与气体的比值)、湍流强度和温度的控制,并不服从MRN型分布。
2010-09-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
Planet-induced Vortices with Dust Coagulation in Protoplanetary Disks
在这项工作中,我们研究了如何尘埃凝聚/碎裂将影响的演变和观测外观的漩涡嵌入在一个低粘度盘的大质量行星进行全球二维高分辨率流体动力学模拟。在涡流内,由于其较高的气体表面密度和较陡的压力梯度,灰尘凝结、破碎和漂移(到涡流中心)都是相当有效的,产生从微米到$\sim 1.0\ {\rm cm}$的灰尘颗粒,以及总体上较高的灰尘-气体比(高于1)。此外,尘埃粒径分布在涡旋内部非常不均匀,涡旋中心的质量加权平均尘埃粒径($\sim 4.0$ mm)比其他涡旋区域大$\sim10$倍。大颗粒($\sim$ mm)和小颗粒(数十微米)都对涡流内的气体运动产生强烈影响。因此,我们发现,包括灰尘凝聚的涡旋寿命有显着的影响,典型的涡旋寿命约为1000轨道。初始气体涡旋被破坏后,尘埃扩散成一个环,其中残留有少量较小的气体涡旋,这些气体涡旋具有较高的尘埃浓度和较大的最大尺寸($\sim$ mm)。在后期,凝并情况下的合成粉尘连续图像在1.33 mm波段显示为镶嵌有多个热点的环,而在7.0 mm波段仅保留明显的热点。
2020-03-14 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust coagulation assisted by streaming instability in protoplanetary disks
通过局部模拟流动不稳定性,发现其产生的团块能使尘埃颗粒在极低碰撞速度下保持高碰撞率,从而克服碎裂与漂移屏障,极大放宽微行星形成的条件。
2025-03-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
Mineral Snowflakes on Exoplanets and Brown Dwarfs: Coagulation and Fragmentation of Cloud Particles with {\sc HyLandS}
褐矮星和系外行星提供了独特的大气机制,这些机制包含了它们形成路线和演化状态的信息。模拟矿物云粒子的形成是为CRIRES+、JWST和ARIEL等任务和仪器以及{ \sc PolStar}等可能的偏振测量任务做准备的关键。其目的是支持更详细的观测,需要更好地了解微物理云过程。我们扩展我们的动力学云形成模型,处理成核,冷凝,蒸发和沉淀的混合材料云粒子一致的模型云粒子-粒子碰撞。新的混合代码,{ \sc HyLandS},被应用到{ \sc Drift-Phoenix}(T,p)-profiles的网格。利用有效介质理论和米氏理论研究了该材料的光学性质。湍流是碰撞的主要驱动过程,碰撞成为云底($p>10^{-4}\,{\rm bar}$)的主导过程。碰撞产生三种结果之一:碎裂大气层($\log_{10}(g)=3$),分裂大气层($\log_{10}(g)=5$,$T_{\rm eff} \leq 1800\, {\rm K}$)和凝聚生长主导大气层($\log_{10}(g\,)=5$,$T_{\rm eff} > 1800\, {\rm K}$)。云粒子不透明度斜率在光学波长(HST)的增加与碎片,是硅酸盐功能在中红外波长。混合矩箱法{ \sc HyLandS}证明了在保证单元守恒的同时将矩箱法结合起来的可行性。它为捕捉粒子碰撞的一般趋势提供了一个强大而快速的工具,与其他微物理过程保…
2022-03-14 astro-ph.EP astro-ph.SR
Inhibited Coagulation of Micron-size Dust Due to the Electrostatic Barrier
原行星盘中固体物质的碰撞演化是星子、彗星和行星形成的关键步骤。虽然稠密的原行星环境有利于尘埃的快速凝聚,但有几个因素限制了从星际微米大小的颗粒到卵石大小的聚集体的直接途径。除了颗粒的弹跳、碎裂和快速漂移到中心恒星之外,一个值得注意的限制因素是带相同电荷的颗粒的静电排斥。在这项研究中,我们的目标是在理论建模的粉尘凝聚耦合粉尘充电和磁盘电离计算。我们表明,静电势垒是一个很强的抑制因素,在磁盘的死区(湍流被抑制)的微米级粉尘的凝聚。虽然持续的湍流有助于克服静电屏障,但即使在这种情况下,粉尘聚集体的低分形维数也可能阻止其进一步凝聚。库仑排斥力可能会将很大一部分小尘埃保留在磁盘大气和外部区域中。
2020-01-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Rapid Coagulation of Porous Dust Aggregates Outside the Snow Line: A Pathway to Successful Icy Planetesimal Formation
宏观尘埃粒子的快速轨道漂移是原行星盘中星子形成的主要障碍之一。我们重新审视这个问题,考虑孔隙度的尘埃聚集体的演变。我们应用最近的N体模拟聚集体碰撞的基础上的孔隙度模型,这使我们能够研究的孔隙度变化时,碰撞的影响范围很广的能量。作为第一步,我们忽略碰撞碎片,而是专注于尘埃的雪线外的演变,在那里的碎片已被建议是不太重要的雪线内,因为高粘附效率的冰粒。我们表明,即使考虑碰撞压缩,尘埃颗粒也可以演化成高度多孔的聚集体(内部密度远小于0.1 g/cm^3)。我们还表明,高孔隙率触发显着加速碰撞生长。这种加速度是粒子在低努森数下的空气动力学性质的自然结果,即,粒子半径大于气体分子的平均自由程。由于这种快速增长,高度多孔聚集体被发现克服径向漂移障碍,在轨道半径小于10 AU(假设最小质量的太阳星云模型)。这表明,如果碰撞碎裂真的微不足道,那么通过亚微米大小的冰粒子的直接碰撞生长,冰星子的形成是可能的。
2012-05-11 astro-ph.EP astro-ph.SR
Coagulation Calculations of Icy Planet Formation at 15--150 AU: A Correlation Between the Maximum Radius and the Slope of the Size Distribution for Transneptunian Objects
我们调查是否凝聚模型的行星形成可以解释所观察到的大小分布的transneptunian对象(TNO)。通过分析已发表的和新的计算,我们证明了最大物体的大小与大小为0.1公里及以上的大小分布的斜率之间的关系。这些关系为TNO和整个太阳系的其他冰冷物体提供了清晰,可测试的预测。将我们的结果应用到现有的观测结果中,我们表明,广泛的初始盘质量,小行星的大小和碎片参数可以解释的数据。在“热”KBO的初始半长轴上加上动力学约束以及可能的TNO形成时间为10-700万年,将可行的模型限制为具有由相对较小(1-10公里)的星子组成的大质量盘的模型。
2012-01-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Electric charging of dust aggregates and its effect on dust coagulation in protoplanetary disks
尘埃聚集体的相互粘附是原行星盘形成星子的第一步。尽管在某些情况下,尘埃粒子的带电是公认的,它已在很大程度上被忽略,在目前的粉尘凝聚模型。在这项研究中,我们提出了一个一般性的分析,尘埃电荷状态的原行星盘,然后演示如何充电可以显着改变目前公认的尘埃凝聚的情况。首先,我们描述了一种新的半解析方法,自洽地计算尘埃电荷态和气体电离态。该方法比以往的数值计算方法效率高得多,并且对气尘混合物的荷电状态提供了一个全面而清晰的描述。其次,我们将这种分析应用于早期的演化阶段,在这些阶段,尘埃被认为生长成具有准单分散性(即,窄)尺寸分布。我们发现,在很宽的模型参数范围内,分形生长强烈抑制碰撞聚集体之间的电斥力,并最终“冻结”的方式到随后的增长阶段,涉及碰撞压缩。强烈的盘湍流有助于聚集体克服这一生长障碍,但在随后的生长阶段,它会导致灾难性的碰撞碎裂。这些事实表明,电斥力和碰撞碎裂的结合将严重限制原行星盘中尘埃的生长。我们提出了一个可能的情况下,灰尘演变后的冻结。最后,我们指出,尘埃聚集体的分形生长往往保持一个低的电离度,因此,一个大的磁旋转稳定区域的磁盘。
2009-04-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust coagulation in star formation with different metallicities
尘埃颗粒在稠密的气体中凝结成较大的聚集体。这改变了它们的大小分布,并可能影响恒星形成云的热演化。在这里,我们研究尘埃凝聚在坍缩的前星核不同金属丰度考虑的热运动的颗粒。我们表明,即使在低金属性$\sim 10^{-6} \Zsun$也会发生凝血。然而,我们也发现(i)H $_2$的形成率尘埃颗粒上的H $_2$的大部分形成后,才减少;和(ii),尘埃不透明度修改后,只有在核心变得光学厚。因此,我们得出结论,尘埃凝聚的影响可以安全地忽略在讨论任何金属丰度的前星核的温度演化,只要晶粒运动是热的。
2009-07-17 astro-ph.GA astro-ph.SR
The Impact of Silicate Grain Coagulation on Millimeter Emission from Massive Protostellar Disks
本研究通过自洽分析大质量原恒星盘硅酸盐颗粒大小演化与(亚)毫米波辐射的关系,结合ALMA观测约束其碰撞破碎阈值速度为15 m s-1,提出两种重现GGD27-MM1内盘辐射的情景,为理解岩石星子形成条件提供依据。
2025-08-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Massive Protostellar Disks as a Hot Laboratory of Silicate Grain Evolution
本文建立含尘埃凝结、碎裂与径向漂移的大质量原恒星盘模型,结合GGD27-MM1观测推断硅酸盐颗粒碎裂阈值约10 m/s,用以约束岩石星子形成条件。
2023-06-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
Gravitoviscous Protoplanetary Discs with a Dust Component. IV. Disc Outer Edges, Spectral Indices, and Opacity Gaps
行星形成的关键第一步是微米大小的尘埃聚集成宏观的聚集体。这个阶段很可能发生在原恒星盘形成的早期,其特征是活跃的气体动力学。我们提出了数值模拟的原恒星/原行星盘的长期演变,其中包括气体动力学与自重力在薄盘的限制,和双分散尘埃颗粒的演变,由于凝聚,破碎,并通过气体漂移。我们发现,粒径的光盘周边的减少导致尖锐的外边缘在灰尘毫米排放,这是由灰尘不透明度系数的下降,而不是由灰尘表面密度的变化来解释。这些可见的外边缘位于平均颗粒尺寸为$\approx λ/2π$的位置,其中$λ$是观测波长,因此如果尘埃尺寸向外减小,则光盘通常在较长的波长下看起来更紧凑。这允许用于重建盘外部区域中的晶粒尺寸的简单配方。如果晶粒尺寸在某些波长下没有达到$λ/2π$,则光盘在较长波长下可能看起来更大。圆盘可见尺寸在前一百万年内非单调变化,与尘埃和气体的物理尺寸相差几倍。我们比较我们的模型与最近的观测数据的气体和尘埃盘的大小,远红外线通量和光谱指数的狼疮原行星盘。我们还表明,非单调变化的晶粒尺寸在径向方向上可以导致波长依赖的不透明度差距,这是不相关的尘埃密度分布中的任何物理差距。
2020-10-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust grain shattering in protoplanetary discs: collisional fragmentation or rotational disruption?
在原行星盘中,尘埃颗粒凝聚成大的聚集体仍然知之甚少。颗粒孔隙度似乎是一个有前途的解决方案,让晶粒生存和形成星子。此外,尘埃破碎一般被认为只来自碰撞碎裂;然而,最近引入了一个新的过程,旋转破裂。我们编写了一个一维代码,模拟了颗粒漂移时的生长和孔隙度演变,以研究包括两个破碎过程时的最终结果。在模拟再现观测的圆盘模型中的晶粒演化时,我们发现与碎裂和径向漂移相比,旋转破裂是不可忽略的。当湍流参数$α\lesssim 5\xtenpow{-4}$,如果径向漂移足够慢时,破坏成为主导。我们表明,在晶粒的生长历史中断的重要性强烈依赖于它们的抗拉强度。
2023-01-05 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Dust growth, fragmentation and self-induced dust traps in PHANTOM
我们提出了一个尘埃的增长和碎片化模块在公共光滑粒子流体动力学(SPH)代码PHANTOM的实现。该模块与本文件一起提供给公众使用。凝聚模型认为当地单分散粉尘粒径分布周围的单一值,所携带的SPH颗粒。随着演示的模型,实施和测试,我们展示了几个典型的拱星盘模拟的增长和碎片,并回顾以前的结果。该模块还与辐射转移代码MCFOST接口,MCFOST通过生成合成图,方便了模拟与ALMA观测之间的比较。具有生长和碎裂的星周盘模拟再现了Gonzalez等人首先提出的“自诱导尘埃陷阱”机制,支持它的存在。具有这种机制的圆盘的合成图像表明,ALMA可以检测到它是一个明亮的轴对称环,距离恒星几十个AU。通过这篇论文,我们的目标是提供一个公共工具,能够研究和探索与行星形成相关的各种应用中的尘埃生长。
2021-08-02 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Dust Accumulation near the Magnetospheric Truncation of Protoplanetary Discs. II. The Effects of Opacity and Thermal Evolution
本文通过局部尘埃演化模拟,研究了原行星盘磁层截断处尘埃堆积中的不透明度与热演化效应,发现热演化抑制小颗粒堆积,而大固体失控增长可显著保留尘埃质量,验证了该机制对近距离行星形成的重要性。
2024-02-22 astro-ph.EP astro-ph.SR
Testing the theory of grain growth and fragmentation by millimeter observations of protoplanetary disks
上下文在不久的将来,在亚毫米和毫米波长的观测将能够解决的径向依赖的毫米光谱斜率在拱星盘的分辨率约为几个天文单位的距离最近的恒星形成区域。目标。我们的目标是限制物理模型的晶粒生长和破碎的大样本(分)毫米观测磁盘周围的前主序恒星在金牛座,御夫座和蛇夫座恒星形成区域。方法.国家的最先进的凝聚/碎裂和磁盘结构的代码相结合,以产生稳态的粒度分布,并预测在(分)毫米波长的光谱斜率。结果这项工作提出了第一个计算预测毫米光谱斜率的基础上的晶粒生长的物理模型。我们的模型可以很自然地再现所观察到的毫米斜率,但同时匹配所观察到的范围内的通量水平只能达到由几个到约30的因素,同时保持磁盘的气体质量相同的尘埃质量的减少。这种尘埃减少可能是由于径向漂移的速度降低,或者是在早期的进化时期(否则预测的通量会变得太低),或者是由于尘埃有效地转化为更大的、看不见的物体。
2010-06-04 astro-ph.EP astro-ph.SR
Grain growth for astrophysics with Discontinuous Galerkin schemes
根据其大小,尘埃颗粒储存或多或少的电荷,催化或多或少的化学反应,拦截或多或少的光子,并或多或少有效地粘附以形成行星的胚胎。因此,需要在数值模拟中精确处理粉尘凝聚和破碎。然而,现有的算法求解凝固方程是过度扩散的条件下的3D模拟。我们通过开发一个基于间断Galerkin方法的高阶求解器来解决这一挑战。该算法节省了机器精度的质量,并允许用非常有限数量的灰尘箱精确计算几个数量级大小的灰尘颗粒的生长。
2020-11-24 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
Electrostatic Barrier against Dust Growth in Protoplanetary Disks. II. Measuring the Size of the "Frozen" Zone
亚微米级尘埃颗粒凝聚成多孔聚集体是原行星盘中尘埃演化的初始步骤。最近,有人指出,在弱离子化的磁盘中的灰尘的负电荷可以显着减缓凝聚过程。在本文中,我们应用的增长标准,在纸我找到一个位置(“冻结”区)的收费摊位粉尘生长在分形生长阶段。对于低湍流磁盘,我们发现,冻结区可以覆盖磁盘的主要部分在几个到100 AU从中央恒星。聚集体的最大质量在1 AU时约为10^{-7} g,在100 AU时小至几个单体质量。强湍流可以显著减小冻结区的尺寸,但这种湍流会导致宏观聚集体在后期的破碎。我们研究了一种可能性,即完全冻结的尘埃演化在低湍流磁盘可以防止全球运输的尘埃盘。我们的简单估计表明,全球尘埃输送可以在10^6年的时间尺度上导致宏观团聚体的供应和冻结团聚体的去除。这推翻了通常的理解,即微小的尘埃粒子在更短的时间尺度上耗尽,除非碰撞碎裂是有效的。冰冻带和全球尘埃输送可以解释金牛座T星的红外观测和陨石的放射性年代测定所提出的“缓慢”(\sim 10^6年)的尘埃演化。
2011-02-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
General non-linear fragmentation with discontinuous Galerkin methods
针对天体物理尘埃破碎算法的数值过扩散问题,推导了一般非线性破碎的守恒形式,并应用高阶间断伽辽金方法高效求解,在20个分箱下实现0.1-1%精度。
2024-08-25 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Impact of turbulence intensity and fragmentation velocity on dust particle size evolution and non-ideal magnetohydrodynamics effects
该研究以湍流强度和尘埃碎裂速度为参数,分析恒星形成核坍缩阶段尘埃尺寸演化对非理想MHD效应的影响,还探究了尘埃成分的作用,并给出星周盘形成相关的参数约束。
2023-04-26 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Constraining the Dust Opacity Law in Three Small and Isolated Molecular Clouds
来自热尘埃连续排放的孤立核的密度分布依赖于尘埃特性的模型,如质量不透明度,这是约束不足。通过近红外消光图的补充措施,我们可以评估常用尘埃模型的可靠性。在这项工作中,我们比较赫歇尔导出的地图的光学深度与等效地图来自CFHT WIRCAM近红外观测三个孤立的核心:CB68,L429,和L1552。我们评估了四种模型提供的尘埃不透明度:OH1a,OH5a,Orm1和Orm4。虽然三个来源之间模型的一致性不同,但结果表明,核心封套中灰尘的光学性质最好由硅酸盐和裸露的石墨颗粒(例如,Orm1)或具有一些凝结物和薄或没有冰幔的碳质颗粒(例如,OH 5a)。然而,没有一个模型单独为每个源产生最一致的光学深度图。结果表明,无论是在核心的灰尘是没有很好地描述任何一个灰尘属性模型,灰尘模型的应用程序不能扩展到核心的中心以外,或更复杂的SED拟合功能是必要的。
2017-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR
ALMA and CARMA observations of Brown Dwarfs disks: testing the models of dust evolution
行星形成的第一步是在年轻恒星和褐矮星周围富含气体的圆盘中,微小的微粒凝结成越来越大的鹅卵石和岩石。在亚毫米观测可以跟踪毫米/厘米大小的卵石在外盘,并研究这些固体的凝聚/破碎和径向迁移的机制。这些代表了关键,但尚未完全理解的成分,我们的理解形成的星子,行星的基石。在这里,我们提出的第一个结果,从一个观测计划,使用ALMA和CARMA亚毫米/毫米干涉仪,旨在表征尘埃特性和磁盘结构的年轻磁盘周围的棕矮星和非常低质量的恒星。考虑到这些盘的预期物理条件,它们代表了原行星盘中行星形成早期阶段模型的关键测试床。
2013-07-01 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
The statistical properties of stars and their dependence on metallicity: the effects of opacity
我们报告的统计性质的恒星和褐矮星从四个辐射流体动力学模拟恒星团簇形成,解决质量下降到不透明度限制碎片。除了尘埃和气体的不透明度外,计算结果是相同的。假设尘埃的不透明度与金属丰度成正比,计算的金属丰度范围从1/100到3倍太阳,尽管我们强调改变金属丰度有其他热力学效应,计算没有捕获(例如气体和尘埃之间的热耦合)。所有四个计算产生的恒星星族的统计特性是很难区分观察到的恒星系统,我们发现没有显着的恒星性质的不透明度的依赖。多恒星系统的质量函数和性质是一致的。然而,我们发现原恒星合并更常见的低不透明度。综合三次计算的结果,我们得到了一个由500多颗恒星和棕矮星组成的恒星星族。这个群体的许多统计特性与我们银河系中观察到的一致,这意味着重力,流体动力学和辐射反馈可能是确定低质量恒星统计特性的主要成分。然而,我们确实发现,计算可能有点过于耗散的迹象。虽然需要进一步的计算来了解金属丰度对恒星性质的所有影响,但我们得出结论,恒星性质对尘埃和气体不透明度的变化具有惊人的弹性。
2014-05-22 astro-ph.SR
Optical/Near-IR Polarization Survey of Sh 2-29: Magnetic Fields, Dense Cloud Fragmentations and Anomalous Dust Grain Sizes
Sh 2-29是一个引人注目的恒星形成区,以存在大质量嵌入恒星以及几个值得注意的星际结构为标志。在这项研究中,我们的目标是确定磁场的作用,并研究在这种湍流环境中星际尘埃颗粒的大小分布。我们使用了一组光学和近红外偏振数据获得的OPD/LNA(巴西)和CTIO(智利),与消光图,2 MASS数据和图像从DSS和斯皮策。该区域最显著的特征是一个被扫过的星际空腔,其极化图显示磁场线被向外拖曳,沿着其边界堆积。这导致更高的磁场强度值($\approx400\,μ$ G)和偏振度的突然增加,这可能是由于取向效率的增强。此外,高密度的云碎片与峰值$A_{V}$之间的20和37等可能是由它的扩张。$24\,μ$ m点状源的存在表明在这个致密的环境中可能有新生恒星。的角色散函数的统计分析显示领域的场线排列在一个有序的模式,似乎是由于压缩效应的HII区域膨胀。最后,Serkowski函数拟合被用来研究的总选择性消光比,揭示了一个双重人口的异常颗粒尺寸。这一趋势表明,在该地区存在着星际颗粒的凝聚和破碎效应。
2013-10-25 astro-ph.GA astro-ph.SR