The Role of Drag and Gravity on Dust Concentration in a Gravitationally Unstable Disc
本文通过三维SPH模拟研究引力不稳定原行星盘中阻力与引力对大尘埃颗粒聚集的作用,发现两者共同作用可使尘埃在旋臂中快速形成0.15至6倍地球质量的团块,为年轻盘中星子和行星形成提供解释。
2024-01-24 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
The fragmentation of protostellar discs: the Hill criterion for spiral arms
我们提出了一个新的框架来解释引力不稳定的原恒星盘冷却和碎片之间的联系。该框架包括一个简单的螺旋臂形成模型,以及一个基于希尔半径的标准,以确定旋臂是否会碎裂。这个详细的模型的碎片是基于数值模拟的结果,边缘稳定的原恒星盘,包括那些在文献中发现的,以及我们的新套件的3-D辐射流体动力学模拟辐射,光学厚原恒星盘周围的一颗星。我们的一组模拟通过物理不透明度的缩放来探测向碎片化的过渡。该模型可直接计算Gammie(2001)的临界冷却时间,计算结果与数值实验结果一致。我们演示了如何使用这个模型来预测辐照原恒星光盘的碎片。这些数值模拟,以及它们所激发的模型,为引力不稳定性是创造在宽轨道上有巨大行星的系统的假设提供了强有力的支持。
2011-11-08 astro-ph.EP
Winding Motion of Spirals in a Gravitationally Unstable Protoplanetary Disk
本研究通过ALMA七年观测发现IM Lup盘中的螺旋臂遵循开普勒旋转,为引力不稳定性在宽轨道行星形成区域中的作用提供了直接观测证据。
2025-09-24 astro-ph.EP astro-ph.GA
Migration of Gas Giant Planets in Gravitationally Unstable Disks
在引力不稳定盘迁移的特征是必要的,以了解由磁盘不稳定性形成的原行星的命运。作为更大研究的一部分,我们正在使用3D辐射流体动力学代码来研究嵌入式气体巨行星如何与经历引力不稳定性(GI)的气体盘相互作用。这封信介绍了一颗质量为1000亿美元的行星在0.14 $M_{\odot}$盘内的25 AU轨道上的模拟结果。这个盘围绕着一颗1 $M_{\odot}$恒星,跨度为5到40天文单位,最初是不稳定的。在一个模拟中,行星在GI爆发之前被插入;在另一个模拟中,它只在磁盘进入准稳定的GI活跃状态后被插入,其中GI的加热大致平衡辐射冷却。当这颗行星从一开始就存在时,它自己的尾流刺激了一个特定的全球模式的发展,它与之强烈地相互作用,并且这颗行星在大约10 $^3$年内向内俯冲6个天文单位。在这两种嵌入行星的情况下,有时行星的径向运动是缓慢的,并且方向不同。在其他时候,当行星似乎与强烈的螺旋模式相互作用时,向内和向外的迁移可能相对迅速,在数百年内覆盖几个天文单位。在这两种情况下的迁移似乎失速附近的主导低阶模式的内Lindblad共振。行星轨道偏心率在整个模拟的GI活跃阶段在约0.02至0.1之间迅速波动。
2011-06-08 astro-ph.EP
Support for fragile porous dust in a gravitationally self-regulated disk around IM Lup
本研究针对IM Lup原行星盘构建统一物理模型,证实易碎中等孔隙度尘埃的存在,揭示吸积加热内区的100 au级阴影与观测吻合,并指出100 au处行星的形成需依赖局部尘埃富集或其他替代途径。
2024-07-13 astro-ph.EP
Forming Planetesimals by Gravitational Instability: II. How Dust Settles to its Marginally Stable State
如果尘埃与气体的密度比μ足够高,星周盘中平面的尘埃会变得引力不稳定,并碎裂成微行星。我们模拟尘埃如何在被动磁盘中沉降,并询问mu可以达到多高。我们使用1D代码解决灰尘,并使用3D剪切盒代码测试动力稳定性。这个方案允许我们探索小粒子的行为,这些粒子在气体中具有短但非零的停止时间:0 < t_stop <<轨道周期。从而过滤掉流的不稳定性。尘埃沉降,直到尘埃层边缘的剪切不稳定性威胁到整个层。在这种边缘稳定状态下,对于一个整体(高度积分)金属丰度为太阳能的圆盘,mu=2.9。对于一个整体金属丰度是太阳的4倍的圆盘,mu达到26.4。这些取决于背景径向压力梯度的μ的最大值是如此之大,以至于小粒子的引力不稳定性在其体金属丰度仅为太阳的几倍(<4)的盘中是可行的。早期的研究假设尘埃沉降,直到理查森数Ri在空间上是恒定的。我们的模拟没有这个假设,但在尘埃层的边缘提供了支持,条件是Ri以与我们在论文I中发现的相同的方式随体金属丰度增加。直接从小颗粒中产生星子只需要适度地增强体金属丰度。
2010-10-01 astro-ph.EP
Grand Design Spiral Arms in the Compact, Embedded Protoplanetary Disk of Haro 6-13
本文利用ALMA高分辨率观测在Haro 6-13小尺度原行星盘中探测到一对低对比度旋臂,提出毫米波辐射光学厚可能隐藏足够质量使盘引力不稳定,且包层内落可能促进旋臂形成。
2025-07-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
Short-Lived Gravitational Instability in Isolated Irradiated Discs
本研究通过结合实时蒙特卡洛辐射传输的三维流体动力学模拟,发现受恒星辐射主导的原行星盘无法通过温度自调节引力不稳定性,低质量盘的不稳定性会因角动量输运在万年内消退,高质量盘则更易发生碎裂。
2024-09-16 astro-ph.EP
Testing a New Model of Embedded Protostellar Disks Against Observation: The Majority of Orion Class 0/I Disks Are Likely Warm, Massive, and Gravitationally Unstable
构建了基于内部吸积加热和临界引力不稳定假设的嵌入式原行星盘参数化模型,拟合 VANDAM 猎户座 156 个盘的多波长观测,发现多数 Class 0/I 盘温暖、大质量且星盘质量比接近 1。
2024-02-14 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
On The Possibility of Enrichment and Differentiation in Gas Giants During Birth by Disk Instability
我们调查岩石大小的固体和气体之间的耦合,在形成气体巨行星的大规模磁盘的外部区域的磁盘碎片。在这项研究中,我们使用三维辐射流体动力学模拟和模型固体颗粒的空间分布。我们假设总固体分数的一半是小颗粒,一半是大固体。前者完全被气体夹带并在盘中设置不透明度,而后者则允许响应气体阻力,并考虑气体上的反作用。为了探索气固相互作用的最大效应,我们首先考虑10厘米大小的颗粒。然后,我们比较这些结果与1公里大小的颗粒,探索低阻力制度的模拟。我们发现:(1)盘不稳定性行星有可能形成大的核心,由于气动捕获岩石大小的固体在螺旋臂破碎之前;(2)临时团块可以集中几十个$M_{\oplus}$固体在非常局部的区域之前,团块破裂;(3)永久团块的形成,即使在外盘,是依赖于粒度分布,即,不透明性;(4)盘中的非轴对称结构可以产生固气比大于1的盘区域;(5)固体分布可能影响碎裂过程;(6)原始气体巨星和原始棕矮星可以在H $_2$坍缩阶段之前作为差异化的物体开始;(7)引力不稳定盘中的旋臂能够阻止岩石大小的固体向内漂移,甚至将它们重新分配到更大的半径;以及(8)大的固体可以形成偏离气体螺旋臂的螺旋臂。我们的结论是,行星胚胎的形成可以强烈影响的固体在磁盘吸积的最早阶段的增长。
2010-09-17 astro-ph.EP
Spiral Arms and a Massive Dust Disk with non-Keplerian Kinematics: Possible Evidence for Gravitational Instability in the Disk of Elias 2-27
为了确定在Elias 2-27尘埃连续辐射中观察到的螺旋结构的起源,我们分析了分辨率为$\sim$ 0.2弧秒($\sim$ 23 au)的多波长连续ALMA数据,分辨率为0.89,1.3和3.3 mm。我们还用$J=$ 3-2跃迁的$^{13}$ CO和C $^{18}$ O ALMA观测研究了盘的运动学。的旋臂形态恢复在所有波长的尘埃连续观测,在那里我们测量的对比度和光谱指数的变化沿旋臂和检测微妙的尘埃捕获签名。我们确定,从中平面的发射是冷的,并解释光学深度的结果作为一个更高的磁盘质量比以前的限制签名。从气体的数据,我们寻找偏离开普勒运动和跟踪的发射表面和速度分布的形态。我们发现一个方位角变化的系统中的发射层的高度,大规模的排放周围的磁盘,和强烈的扰动的通道地图,共同定位的螺旋。此外,我们开发了多颗粒尘埃和气体的SPH模拟的引力不稳定盘,并将它们与观测结果进行比较。考虑到大尺度的排放和高度扰动的气体结构,以及连续观测与理论预测的比较,我们提出了坠落引发的引力不稳定性作为观测到的螺旋结构的起源。
2021-05-24 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Gravitational instability in planet-forming discs
Institute of Astronomy, University of Cambridge(剑桥大学天文学研究所)
本文综述ALMA问世10年来原行星盘引力不稳定性的理论与观测进展,揭示其从巨行星形成理论机制转变为可通过高分辨率观测检验的丰富物理框架。
2026-09-07 astro-ph.EP
The Maximum Mass Solar Nebula and the early formation of planets
当前的行星形成理论为解释这一领域的一系列新观测数据提供了成功的框架。然而,两个主要理论(核心吸积,引力不稳定性)都无法解释一些关键方面。在许多行星形成计算中,通常将行星形成盘的初始性质(质量、半径等)自由参数。在本文中,我们强调的重要性,设置形成的行星形成盘的背景下形成的中心恒星。通过探索盘形成的早期阶段,我们引入了最大质量太阳星云(MMSN)的概念,而不是经常使用的最小质量太阳星云(这里是mmSN)。很明显,几乎所有的原行星盘都是在强烈的自引力状态下开始演化的。在协议几乎所有以前的工作在这一领域,我们的结论是,在规模相关的行星形成这些磁盘不是重力不稳定的气体碎片,而是形成强大的,短暂的螺旋臂。这些螺旋臂可以作为有效的灰尘捕集器,允许灰尘(但不是气体)的积累和随后的破碎。这一阶段很可能在短时间尺度上用相对较大的星子填充圆盘,而圆盘仍然被尘埃气体包层所掩盖。重要的是,早期形成的大型微行星克服了核心吸积模型中的主要障碍。对这幅图像的一个预测是,基本上所有可观测到的原行星盘都已经是行星的宿主。
2018-03-12 astro-ph.EP
Signatures of Gravitational Instability in Resolved Images of Protostellar Disks
原恒星(0/I类)盘,质量与其新生的宿主恒星相当,并从其出生的下降包层不断喂养,容易发生引力不稳定性(GI)。受近红外(NIR)自适应光学成像和毫米波干涉测量的进展,我们探讨了GI在磁盘的观测签名,使用流体动力学和蒙特卡罗辐射转移模拟合成近红外散射光图像和毫米尘埃连续地图。由GI引起的螺旋臂位于数百个天文单位的圆盘半径,是局部的高密度,并且它们的光球被转移到圆盘中平面以上的更高高度,因此臂比臂间区域散射更多的来自中心恒星的近红外光,并且可以在距离高达1 kpc的双子座/GPI,VLT/SPHERE和斯巴鲁/HiCIAO/SCExAO探测到。相比之下,由盘碎片形成的坍缩团块具有如此强的局部引力场,以至于它们的散射光球位于较低的高度,这些碎片在近红外散射光中比它们的周围环境显得更暗。螺旋臂和流光最近在四个FU Ori系统成像在近红外波长类似GI诱导的结构,并支持的解释,FUOR引力不稳定的原恒星盘。在毫米波长,螺旋和团块出现更明亮的热发射比周围的磁盘,可以检测到ALMA在距离高达0.4千秒差距与一个小时的积分时间在~0.1弧秒的分辨率。质量>=1 MJ的塌陷碎片可在约10分钟内通过ALMA检测到。
2016-05-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
Gravitational instability in a planet-forming disk
本文通过ALMA对AB Aurigae盘中13CO和C18O的深度观测,提供了引力不稳定性的运动学证据,并推断盘质量最高可达恒星质量的1/3,支持巨型原行星可由旋臂碎裂直接形成的替代理论。
2024-09-03 astro-ph.EP
Morphological signatures induced by dust back reaction in discs with an embedded planet
最近的观测揭示了附近原行星盘尘埃成分中的一系列子结构,包括环,间隙,螺旋臂和不平衡的浓度。对这些亚结构的一种解释是嵌入式行星的存在。然而,直到最近,大多数解释这些观测结果的建模工作都忽略了尘埃对气体的反反应。在这项工作中,我们进行局部剪切片模拟等温,无粘,非自引力,剃刀薄尘埃盘与行星在一个固定的圆形轨道。我们系统地研究了行星质量($0.1M_\text{th} \le M_\text{p} \le 1M_\text{th}$,其中$M_\text{th}$是热质量),无量纲停止时间($10^{-3} \le τ_\text{s} \le 1$)和固体丰度($0 < Z \le 1$)跨越的参数空间。我们发现,当尘埃颗粒与气体($τ_\text{s} < 0.1$)紧密耦合时,螺旋臂的开放程度较低,行星驱动的间隙随着$Z$的增加而变得更深,这与单一尘埃气体混合物近似下的声速降低一致。相比之下,当尘埃粒子是边缘耦合的($0.1 \lesssim τ_\text{s} \lesssim 1$),螺旋结构是不敏感的$Z$和气体中的间隙结构可以变得显着歪斜和不可识别。当后者发生时,行星轮径向外侧的最大压力被削弱或甚至消失,因此可以减少或消除低质量($M_\text{p} < M_\text{th}$)行星轮的灰尘过滤。最后,我们发现尘埃颗粒聚集的间隙边缘以及由大质量行星驱动的不平衡的大尺度涡…
2019-11-15 astro-ph.EP
On the origin of the spiral morphology in the Elias 2-27 circumstellar disc
年轻的恒星伊莱亚斯2-27最近被观测到拥有一个巨大的星周盘,有两个突出的大型旋臂。在这封信中,我们进行三维光滑粒子流体动力学模拟,辐射转移建模,合成ALMA成像和unsharped掩蔽技术,以探索所观察到的结构的起源的三种可能性-一个未被检测到的伴侣无论是内部或外部的螺旋,和一个自引力盘。我们发现,一个引力不稳定的光盘和光盘与外部的同伴可以产生的形态,是一致的意见。此外,对于后者,我们发现伴星可能是一个相对巨大的行星质量伴星(小于约10 - 13 MJup),位于大径向距离(约300 - 700 au)。因此,我们认为Elias 2-27可能是最早探测到的经历引力不稳定性的圆盘之一,或者是最近经历碎片化产生大质量伴星的圆盘。
2017-03-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
Gravitational instability, spiral substructure, and modest grain growth in a typical protostellar disk: Modeling multi-wavelength dust continuum observation of TMC1A
研究通过多波长尘埃连续谱建模揭示TMC1A原恒星盘的引力自调节结构、m=1螺旋成因及受碎裂屏障限制的适度尘埃生长,并指出传统分析方法的系统偏差。
2023-08-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
The 3D structure of disc-instability protoplanets
本研究通过SPH模拟揭示盘不稳定性原行星多为扁球体且从极地吸积,其三维结构受盘环境与形成历史影响,对观测解释具有重要意义。
2024-02-02 astro-ph.EP astro-ph.SR
Planet migration in massive circumbinary discs
本研究通过三维光滑粒子流体动力学模拟,探究大质量环双星盘中宽轨道巨行星的迁移规律,发现双星存在会增强行星迁移与质量增长,且双星参数会影响迁移效果,最终双星周围的宽轨道巨行星轨道比单星周围的更宽。
2024-08-14 astro-ph.EP astro-ph.SR
A Striking First Impression: CGI Commissioning Observations of the AB Aurigae Protoplanetary System
本研究提出用Roman Coronagraph的CGI观测御夫座AB原行星系统,即使低对比度暗斑也能提升原行星观测质量,结合成像与偏振测量可约束盘尘埃与行星发射源,展现仪器探测潜力。
2025-09-02 astro-ph.EP astro-ph.IM
Edge modes in self-gravitating disc-planet interactions
我们研究了一个巨大的行星在自引力原行星盘打开的间隙的稳定性。我们发现一个线性的不稳定性与自重力的光盘和当地涡度最大值与间隙边缘相吻合。对于我们的模型,这些边缘模式发展并延伸到土星质量行星轨道半径的两倍,圆盘与恒星质量比>0.06,对应于外盘边界的Toomre Q < 1.5。与弱或非自引力低粘度盘中与间隙边缘相关的局部涡形成不稳定性不同,边缘模式是全球性的,仅存在于足够大的盘中,但对于原行星盘采用的典型粘度值。分析建模和线性计算表明,边缘模式可以被解释为一个本地化的干扰与间隙边缘诱导活动的扩展光盘,通过发射密度波激发林德布拉德共振。利用非线性流体动力学模拟研究了圆盘-行星系统边缘模态的演化。不稳定模的形式和增长率与线性理论一致。他们的粘度和重力软化的依赖性也进行了探讨。我们还首次研究了边缘模式对行星迁移的影响。我们发现,如果边缘模式的发展,那么平均磁盘上的行星扭矩变得更加积极的光盘质量增加。在允许行星迁移的模拟中,虽然可以看到快速的III型迁移,这与非自引力盘中看到的相似,但我们发现行星可能与边缘模式相关的螺旋臂相互作用,这可能导致行星向外散射。因此,轨道迁移很可能是复杂的和非单调的大规模磁盘的类型,我们考虑。
2011-03-25 astro-ph.EP
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