On shocks driven by high-mass planets in radiatively inefficient disks. I. Two-dimensional global disk simulations
最近观测到的过渡盘尘埃分布中的间隙和非轴对称特征被解释为嵌入大质量原行星的证据。然而，将行星-盘相互作用模型的预测与观测到的特征进行比较，结果显示出远非完美的一致性。这可能是由于用于预测的强近似。例如，旋臂拟合通常使用基于等温气体中的低质量行星的结果。在这项工作中，我们描述了二维的，全球的，流体动力学模拟嵌入原行星盘，有和没有假设的局部等温线，行星与恒星的质量比范围为1-10 M_jup的1 M_太阳星。我们在极坐标系中为我们的模型使用了EARMCODE。我们发现大质量原行星（M>5 Mjup）的内外螺旋尾迹产生了显著的激波加热，这可能触发浮力不稳定性。当它们发生时，这些驱动器在整个磁盘中维持湍流。这种效应的强度强烈依赖于行星的质量和热弛豫时间尺度;对于嵌入薄的纯绝热盘中的10 M_jup行星，通常与行星盘相互作用相关的螺旋，间隙和涡旋被破坏。我们发现，该效果仅弱依赖于初始径向温度分布。在我们所描述的效应加热的盘中形成的螺旋可能比线性等温理论预测的螺旋更适合在过渡盘中观察到的螺旋结构。
2015-03-31 astro-ph.EP
Leading & Trailing Spiral Arms in a Nearly Broken Protoplanetary Disc
本研究通过三维模拟发现，近破裂倾斜环双星盘中内、外盘相对倾斜可激发前导旋臂，阴影可激发拖尾旋臂，二者可共存，且不依赖引力不稳定性。
2025-08-06 astro-ph.EP
Characterizing gravito-turbulence in 3D: turbulent properties and stability against fragmentation
我们已经研究了使用高分辨率剪切盒模拟的三维重力湍流盘的属性。对于足够大的域尺寸，$L_y \gtrsim 60H$，盘稳定下来进入准稳定状态，不显示特性的长期趋势或随盒尺寸的变化。对于较小的盒子，我们发现，方位角波长的主导螺旋模式是有限的域的大小。这与不同于较大尺寸下的准稳态动力学的突发行为有关。我们指出，一个类似的过渡可能是预期在全球模拟的方位角波长的范围是有限的光盘大小的限制点。这个条件（即当$60 H \sim 2 πR$，即$H/R \sim 0.1$）正确地预测了先前在盘星质量比超过0.25的全球模拟中发现的向爆发行为的转变。我们恢复从二维到三维行为的动态过渡，其特征在于在小尺度上变得更加各向同性的湍流。这种湍流可能在自引力盘中的尘埃演化中起着重要作用，可能主导着斯托克斯数为$< 1$的粒子的碰撞速度。最后，我们考虑的稳定性的重力湍流对碎片，发现光盘冷却速度比几个动力学时间的碎片立即，支持以前的结果。我们还发现了在稍长的冷却时间，其中一个片段形式从准平衡态随机碎裂的线索。然而，这对于通过引力不稳定性可能发生行星形成的区域几乎没有实际的区别。
2018-12-13 astro-ph.EP
Meridional Circulation driven by Planetary Spiral Wakes in Radiative and Magnetized Protoplanetary Discs
本文首次通过辐射磁流体力学模拟研究木星质量行星形成，发现行星螺旋尾流驱动的经向环流在不同设置下一致，并揭示了磁场湍流粘滞对间隙打开和吸积变化性的关键影响。
2023-05-13 astro-ph.EP
A dusty filament and turbulent CO spirals in HD135344B-SAO206462
行星与盘的相互作用建立了局部压力最大值，这可能会阻止原行星尘埃的径向漂移，并将其堆积成环状和新月状。ALMA对HD 135344 B圆盘的观测揭示了两个来自~ mm大小尘埃的热连续环。在更高的频率下，内环相对于外环更亮，外环也是新月形而不是完整的环。在近红外散射光图像中，圆盘由ALMA内环内的双臂大设计螺旋调制。这样的结构可能是由一个大质量的伴星疏散了中央的空腔，以及一个巨大的行星在两个环之间的间隙引起的，它通过它的尾迹引导小尘埃和气体的吸积，同时阻止较大的尘埃穿过间隙。在这里，我们提出的ALMA观测J=（2-1）CO同位素线和相邻的连续，高达12公里的基线。角分辨率为0.03”，揭示了连接两个环的灯丝的初步检测，这与IR螺旋的螺距角的局部不连续性相吻合，先前提出的原行星驱动这个螺旋的位置。线诊断表明，湍流，或叠加的速度分量，是特别强的螺旋。~（12）CO（2-1）三维旋转曲线指向内尘环半径处的星心吸积，径向速度可达~6%+-0.5%Keplerian，如果整个CO层都遵循~（12）CO（2-1）运动学，则对应的吸积速率可达~ 2 E-6M_sun/yr。这表明，只有表面层的光盘正在经历吸积，而线增宽是由于叠加的层流。
2021-08-12 astro-ph.EP
Planetary-like spirals caused by moving shadows in transition discs
阴影和螺旋似乎是过渡盘的共同特征。在提出的螺旋触发机制中，迄今为止只有一种建立了阴影和螺旋之间的因果联系。事实上，假设盘中存在阴影，温度梯度和盘的不同旋转的组合效应产生强的方位压力梯度。几千年后，宏伟的螺旋在气相中发展起来。以前的作品只考虑了由倾斜的内盘引起的静态阴影。然而，在某些情况下，环双星盘的内部区域可以断裂和进动。因此，更现实的是考虑在盘中移动阴影图案。在此配置中，内盘和外盘之间的交点定义了投射阴影的节点线。在这里，我们考虑移动的阴影和研究所产生的circumbinary光盘结构。我们发现，只有静态和逆时针的阴影触发螺旋，相反，逆行的。有趣的是，如果圆盘的一个区域与阴影一起旋转，那么在共同旋转的位置就会产生类似行星的特征。由此产生的螺旋类似于嵌入盘中的行星所造成的螺旋，具有相似的俯仰角。
2017-12-26 astro-ph.EP
Exciting spiral arms in protoplanetary discs from flybys
在许多原行星盘中观察到螺旋臂。这些旋臂可以被束缚或非束缚轨道上的伴星激发。我们模拟的情况下，一个未绑定的扰动，即飞越，激发旋臂在近星点通道。我们运行三维流体动力学模拟的抛物线飞越遇到气体原行星盘。扰动质量范围从$10\, \rm M_J$到$1\, \rm M_{\odot}$。扰动激发了一个双臂螺旋结构，具有更突出的螺旋功能，更高的质量扰动。两个手臂随着时间的推移而演变，最终缠绕起来，与以前的作品一致。重点分析了在整个加工过程中螺旋线的速度和螺距角。在近星点，两个旋臂的初始速度接近于扰动器的角速度，然后随着时间的推移逐渐减小。螺旋角也随着时间的推移而减小。螺旋消失后，几个当地的轨道时间。一个倾斜的椭圆轨道飞掠诱导出与共面飞掠相似的圆盘子结构。太阳质量飞越事件导致原行星盘的偏心率增加，导致偏心盘结构随着时间的推移而衰减。螺旋的形态和圆盘的偏心率可以用来搜索可能存在飞越的圆盘周围的潜在未结合恒星或行星。未来的高分辨率圆盘观测和专门的调查将有助于限制在附近恒星形成区域发生此类恒星相遇的频率。
2023-03-10 astro-ph.EP
Spiral arms in thermally stratified protoplanetary discs
在近红外散射光和最近的亚毫米连续光谱中，在近十几个原行星盘中观察到了螺旋臂。虽然最令人信服的解释之一是它们是由行星或恒星伴星驱动的，但在所有情况下，除了一个案例外，这些伴星尚未被发现，甚至对行星是否应该位于螺旋内部或外部也存在模糊性。在这里，我们使用3D流体动力学模拟来研究嵌入式行星发射的螺旋密度波的形态，同时考虑到垂直温度梯度，恒星辐射的自然后果。我们的模拟结果表明，螺旋在热分层光盘的螺距角是最低的光盘中平面和增加对光盘表面。我们结合流体动力学模拟与三维辐射转移计算预测，在近红外观测到的行星螺旋的俯仰角高于在亚毫米。我们还发现，在这两种情况下，螺旋收敛到行星。这提供了一种新的强大的观测方法来确定扰动行星是否在螺旋的内部或外部，以及绘制盘的热分层。
2017-11-09 astro-ph.EP
Scattered light images of spiral arms in marginally gravitationally unstable discs with an embedded planet
过渡盘在近红外的散射光图像通常显示出非轴对称结构的形式，除了其特征性的低不透明度的内部间隙区域的大开口的螺旋臂。我们研究了自引力盘，并研究了引力不稳定性对行星盘相互作用引起的螺旋臂形状和对比度的影响。二维非等温流体动力学模拟，包括粘性加热和冷却处方相结合的三维尘埃连续辐射转移模型直接比较的意见。我们发现，所产生的螺旋和周围的光盘在散射光之间的对比度是远高于压力标度的高度变化，即热扰动，比纯表面密度的变化。自重力效应抑制了任何涡旋模式，并倾向于减小行星引起的螺旋的张开角，使它们缠绕得更紧。如果圆盘的引力稳定性只有在托姆雷参数为1的情况下才能维持，那么嵌入的大质量行星（行星与恒星的质量比为$10^{-2}$）就可能引发圆盘外层的引力不稳定性。由这种不稳定性和行星发射的密度波所产生的螺旋可以重叠，从而在外盘中产生大规模的、更开放的螺旋臂。这些螺旋的对比度远高于现有望远镜的探测极限。
2015-08-18 astro-ph.EP
Non-linear spiral waves in accretion discs
Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge, Centre for Mathematical Sciences（剑桥大学应用数学与理论物理系，数学科学中心）
本文提出一个非线性全局方程，揭示了吸积盘中螺旋波的非线性行为，解释了双臂螺旋在天体系统中的普遍性及观测中松散缠绕的现象。
2025-12-12 astro-ph.EP
The temporal requirements of directly observing self-gravitating spiral waves in protoplanetary discs with ALMA
我们调查如何检测签名的自引力在原行星盘取决于其时间的演变。我们运行一个长期的时间尺度的一维模型，以遵循作为时间的函数的光盘质量。然后，我们将其与三维全球流体动力学模拟，采用混合辐射转移方法来近似现实的加热和冷却。我们模拟了这些系统的ALMA连续观测，发现当$q=M_\mathrm{disc}/M_*\gtrsim 0.25$和$R_\mathrm{outer}\lesssim 100$ au.在这样一个巨大的圆盘中，由重力湍流产生的高吸积率在$\sim10^4$年内，或大约1%的典型圆盘寿命内，将其质量消耗到检测阈值以下。因此，在ALMA尘埃观测中检测到的具有旋臂的圆盘，如果是由自重产生的，则必须要么仍在接收下落以保持高的$q$值，要么刚刚从其出生信封中出现。在具有较低$q$的系统中检测子结构是可能的，但需要专家在几天内与最扩展的配置集成。这不利于在相对较短的积分时间内检测到具有$q<0.25$的系统中GI引起的螺旋结构的可能性，例如DSHARP ALMA调查中发现的那些（Andrews等人，2018; Huang等人，2018）。我们没有发现动态时间尺度上的可探测性的时间依赖性
2019-06-08 astro-ph.EP astro-ph.SR
A Simple Time-Dependent Method for Calculating Spirals: Applications to Eccentric Planets in Protoplanetary discs
原行星盘中的螺旋已经被用来定位盘中潜在的行星。由于只有螺旋形从圆形轨道摄动是已知的，大多数以前的作品假设行星是在一个圆形轨道。我们发展了一个简单的半解析方法来计算由偏心行星发射的螺旋线的形状。我们假设行星在其轨道上发射小波，这些传播小波的波前形成螺旋。从这个简单的方法得到的螺旋形状与数值模拟非常吻合。由偏心行星激发的螺旋线可以脱离行星，分叉，甚至交叉，都是用这种简单的方法复制的。螺旋的分叉点对应于当行星的径向速度达到圆盘的声速时发出的小波。多个螺旋可以由偏心行星激发（当$e\gtrsim0.2$时多于5个螺旋）。螺旋角和图案速度在不同螺旋之间是不同的，并且可以在一个螺旋上显著变化。由大质量偏心行星发射的螺旋尾迹变陡为螺旋激波，螺旋激波的交叉导致螺旋扭曲或断裂。在质量相同的情况下，一个更偏心的行星会发射更弱的螺旋，并在很长一段时间内产生更浅的间隙。观测到的一些螺旋的异常大/小的螺距角，不规则的多个螺旋，以及不同螺旋之间的不同模式速度可能表明在原行星盘中存在偏心扰动。
2021-12-06 astro-ph.EP astro-ph.IM
Classifying and modelling spiral structures in hydrodynamic simulations of astrophysical discs
我们展示了自动识别的数值技术在流体动力学模拟的天体物理盘的个别旋臂。在我们早期工作的基础上，使用张量分类来识别“螺旋状”区域，我们现在可以获得单个臂元素的螺旋拟合。我们表明，这个过程中，甚至可以检测到相对絮凝的螺旋图案的螺旋，但由此产生的对数“大设计”的螺旋线是不太强大的。我们的方法不仅允许的螺距角的估计，但也直接测量的螺旋臂的宽度和模式的速度。原则上，我们的技术将允许跟踪的材料，因为它通过arm.Our演示使用平滑粒子流体动力学模拟，但我们强调，该方法适用于任何有限元流体动力学系统。我们预计我们的技术将是必不可少的研究在盘星系的恒星形成，并试图找到最近观察到的螺旋结构的起源在原恒星盘。
2018-02-05 astro-ph.EP astro-ph.GA
Are the spiral arms in the MWC 758 protoplanetary disc driven by a companion inside the cavity?
原行星盘中的螺旋臂被认为与伴星的存在有关。我们测试的假设，在过渡盘MWC 758中观察到的双旋臂形态可以产生的一个$\approx 10$ M $_{\rm Jup}$伴星的偏心轨道内部的螺旋臂。以前对MWC 758的研究假设了一个外部伴侣。我们比较模拟观测从三维流体力学模拟光盘同伴相互作用散射光，红外和CO分子线观测，考虑到观测偏差。内部同伴假说被发现解释双螺旋臂，以及在MWC 758中看到的几个额外的功能-西北部的弧，螺旋臂内的子结构，CO同位素的空腔，以及运动学中的扭曲。可测试的预测包括探测到较暗的螺旋结构，探测到主星东南偏南的点源，以及螺旋臂的自行。
2020-07-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
Subcritical transition to turbulence in accretion disc boundary layer
为了解释在低质量X射线双星、激变变星或具有大质量原行星盘的年轻恒星中观测到的吸积时标，需要通过弱磁化吸积星表面附近的边界层增强的角动量传递。吸积盘边界层局部表现为不可压缩的、均匀的、无边界的、线性稳定的气旋型流动。其非线性不稳定性的剪切速率的顺序的旋转频率仍然是一个问题。我们认为，流体动力学亚临界湍流在这样的流动是持续的非线性反馈，基本上是三维的旋涡，这是由准二维拖尾剪切螺旋增长到高振幅通过摆动放大。我们把这些三维涡称为交叉卷，因为它们在剪切方向上排列，而在瑞利线上的旋转剪切流中，反升力机制产生的流向卷则相反。横向辊的瞬态增长的分析研究，并进一步面临着直接数值模拟（DNS）的非线性扰动的动态。在高箱中进行的DNS表明，作为剪切速率的函数的过渡雷诺数$R_T$符合横向辊的恒定最大瞬态增长线。当$R_T\sim 50000$时，直到剪切速率比旋转频率高三倍时，才观察到高盒中的转变。假设横滚也是开普勒流中湍流的原因，我们估计这种情况下的$R_T\lesssim 10^8$。在准开普勒状态下测试湍流存在的最有利的剪切速率可以是亚开普勒的并且近似等于$1/2$。
2018-08-06 astro-ph.EP astro-ph.HE
Are Elias 2-27's spiral arms driven by self-gravity, or by a companion? A comparative spiral morphology study
在伊莱亚斯2-27周围的原恒星盘中检测到的螺旋波被认为是该盘引力不稳定的证据。然而，以前的工作表明，一个巨大的，稳定的圆盘与一个巨大的伴星相遇也与观测结果一致。我们比较螺旋形态的光滑粒子流体动力学模拟建模这两种情况。重力不稳定的磁盘产生对称的，紧密缠绕的螺旋臂与恒定的螺距角，如文献所预测的。伴随圆盘的臂是不对称的，螺旋角随着半径的增加而增加。然而，这些武器是不是很适合标准的解析表达式，由于高光盘质量和相对较低的同伴质量。我们注意到，螺旋对之间的形态差异（或相似性）是一个至关重要的判别埃利亚斯2-27的场景之间，因此未来的研究必须适合单独的旋臂。如果埃利亚斯2-27在未来的观测中继续显示对称的紧密缠绕的旋臂，那么我们认为它是第一个观察到的引力不稳定原恒星盘的例子。
2018-05-21 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Spiral arms in the proto-planetary disc HD100453 detected with ALMA: evidence for binary-disc interaction and a vertical temperature gradient
围绕HD 100453运行的原行星盘的散射光高分辨率成像显示了两个对称的螺旋臂，可能是由外部恒星伴星发射的。在本文中，我们提出了新的，灵敏的高分辨率（$\sim$ 30 mas）波段7 ALMA观测这个源。这是第一个来源，我们发现在亚毫米连续两个散射光螺旋对应。CO J=3-2的发射谱线也显示出两个旋臂;在这种情况下，它们可以在更广泛的径向范围内追踪，表明南部的旋臂连接到伴星位置。这是明确的证据表明，伴侣是负责发射螺旋。亚毫米连续体螺旋的螺距角（$\sim 6 ^{\circ}$）小于散射光中的螺距角（$\sim 16 ^{\circ}$）。我们表明，流体动力学模拟的二进制光盘的相互作用可以占的差异，只有当一个考虑到中平面是冷比上层的光盘，预期的情况下，外部照射光盘的螺距角。
2019-11-01 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Formation of spirals in early stage protoplanetary discs
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)（波茨坦莱布尼茨天体物理研究所）
研究早期稳定原行星盘中气体自引力如何触发螺旋结构生长，发现非轴对称扰动在非线性阶段迅速放大，形成主导的大尺度螺旋结构。
2026-03-24 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Anatomy of a Fall: Stationary and super-Keplerian spiral arms generated by accretion streamers in protostellar discs
针对晚期下落对原行星盘的物质补充及亚结构影响，本文通过3D光滑粒子流体动力学模拟顺向流-盘相互作用，揭示其激发的螺旋臂具有静止至超开普勒的多模式速度、长寿命等特性，为观测诊断提供依据。
2025-02-11 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
