Planetesimal formation in self-gravitating discs: the effects of particle self-gravity and back-reaction
我们研究粒子动力学在自引力气体盘与一个简单的冷却法处方通过二维模拟剪切片近似。众所周知，由于引力不稳定性而在圆盘的气体成分中产生的结构可以对尘埃颗粒的演化产生重大影响。先前的研究结果表明，螺旋密度波可以高效地收集灰尘颗粒，产生显著的局部超密度颗粒。这种浓度的程度已被证明取决于两个参数：尘埃颗粒的大小和气体冷却的速度。我们扩展了这些发现，包括尘埃粒子的自引力，看看这些粒子的超密度是如何演变的。我们使用PENCIL代码来解决本地剪切片方程的气体在一个固定的网格连同固体的运动方程耦合到气体通过气动阻力。我们发现，螺旋密度波峰中颗粒表面密度的增强可以达到足够高的水平，以允许圆盘的固体成分在其自身的重力下坍塌。这在螺旋结构中产生了许多受引力束缚的粒子集合。包含在束缚结构中的总质量似乎几乎与冷却时间无关，这表明通过自引力密度波捕获尘埃粒子形成微行星可能在比以前认为的更大的半径范围内形成。因此，在恒星形成的早期阶段，由于引力不稳定性而产生的密度波可能为许多大的行星大小的物体的快速形成提供了极好的场所。
2014-04-28 astro-ph.EP
Collision velocity of dust grains in self-gravitating protoplanetary discs
我们已经进行了第一次全面的数值调查的尘埃粒子的相对速度分布在自引力原行星盘，以评估通过直接崩溃在这样的环境中的星子形成的可行性。的可行性取决于关键的大尺寸，优先收集在压力最大值所产生的瞬态螺旋功能（斯托克斯数，$St \sim 1$），这些尺寸尺度的增长需要碰撞速度保持足够低，晶粒生长不被破碎逆转。我们发现，对于一个单一大小的尘埃人口，速度驱动光盘的引力扰动是有效的$St > 3$，而耦合到气体速度占主导地位，否则。我们开发了一个标准来理解这一结果的停止距离是为了光盘规模的高度。然而，在多尺寸尘埃群中，由不同的径向漂移引起的相对速度太高，不允许硅酸盐尘埃颗粒生长超过$St \sim 10^{-2}$或$10^{-1}$（$10\,\mathrm{cm}$到$\mathrm{m}$尺寸在$30\,\mathrm{au}$），这样的斯托克斯数不足以允许螺旋特征中的固体浓度。然而，对于冰冷的固体（它可以在几次$10\,\mathrm{m\,s}^{-1}$的碰撞中幸存下来），从恒星到$30\,\mathrm{au}$的增长可能超过$St \sim 1$（$10\,\mathrm{m}$大小）。这样的天体将集中在螺旋形特征中，并可能通过引力坍缩产生更大的冰质微行星/彗星。这些微行星将获得适度的离心率，并在圆盘的剩余寿命中保持不变。
2016-02-29 astro-ph.EP
Planetesimal Formation In Self-Gravitating Discs
我们研究粒子动力学的局部二维模拟的自引力吸积盘与一个简单的冷却法。众所周知，由于引力不稳定性而在圆盘的气体成分中产生的结构对尘埃粒子的演化有显著的影响。先前使用全球模拟的结果表明，螺旋密度波在收集尘埃颗粒方面非常有效，产生了可能发生引力坍缩的显著局部超密度。我们扩大这些发现，使用一系列的冷却时间来模拟条件，在一个大范围的半径内的光盘。在这里，我们使用的二维局部剪切片方程的气体在一个固定的网格上，固体的运动方程耦合到气体只通过气动阻力求解的代码。我们发现螺旋密度波可以显著增强固体的表面密度，相当于一个圆盘中1- 10厘米大小的颗粒，遵循Clarke（2009）围绕太阳质量恒星的轮廓，使其达到比颗粒平均表面密度大几个数量级的浓度。我们还研究了粒子的速度色散，发现螺旋结构可以导致粒子速度变得高度有序，具有窄的速度色散。这意味着粒子之间的相对速度较低，这反过来又表明碰撞通常是低能量的，减少了颗粒破坏的可能性。这两个发现都表明，在恒星形成的早期阶段，由于引力不稳定性而产生的密度波为形成大的、微行星大小的物体提供了极好的场所。
2012-07-19 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
Instabilities at planetary gap edges in 3D self-gravitating disks
数值模拟研究了3D自引力盘中巨行星打开的间隙的稳定性。在弱自引力盘中，一些涡旋在间隙边缘发展，并在轨道时间尺度上合并。结果是一个大而弱的旋涡，罗斯比数为-0.01。在适度的自引力盘中，更多的涡旋发展，它们的合并在动力学时间尺度上受到抵制。在100轨道量级的时间尺度上，自引力可以维持Rossby数为-0.2到-0.1的多涡结构。自重也增强了涡垂直密度分层，即使在磁盘与初始Toomre参数的顺序为10。然而，涡的形成被抑制在强烈的自引力磁盘和取代的全球螺旋不稳定性与间隙边缘的间隙形成过程中发展。
2013-04-29 astro-ph.EP
The observational impact of dust trapping in self-gravitating discs
我们提出了一个三维半解析模型的自引力光盘，并包括一个处方的磁盘螺旋臂的灰尘捕获。使用蒙特卡罗辐射转移，我们产生合成ALMA观测这些光盘。在这样做的过程中，我们证明了我们的模型是能够产生观测预测，并能够模拟潜在的自引力盘的实像数据。对于一个光盘产生螺旋结构，将可观察到与ALMA要求光盘的尘埃质量预算是由毫米和厘米大小的颗粒占主导地位。光盘中的晶粒已经增长到晶粒破碎阈值可能满足这一标准，因此，我们预测，签名的引力不稳定性可能是检测到光盘的质量比以前建议的更低。例如，我们发现盘星质量比低至$0.10$的盘能够驱动可观察到的旋臂。在没有发生晶粒生长或晶粒生长已经远远超过晶粒破碎阈值的圆盘中检测子结构变得具有挑战性。我们演示了如何使用我们的模型来检索有关尘埃捕获和晶粒生长的信息，通过多波长观测光盘，并使用不透明度光谱指数的估计。应用我们的光盘模型的埃利亚斯27，WaOph 6和IM Lup系统，我们发现引力不稳定性是一个合理的解释所观察到的子结构在所有3个光盘，如果足够的晶粒生长确实发生。
2020-08-22 astro-ph.EP astro-ph.SR
Limits on the location of planetesimal formation in self-gravitating protostellar discs
在这封信中，我们表明，如果星子在自引力盘中形成螺旋特征，正如之前Rice等人的理想化模拟所建议的那样，那么在现实的原恒星盘中，这个过程将被限制在盘的外部区域（即半径超过几十个A.U.）。这一限制涉及到的要求，灰尘必须集中在螺旋功能的时间尺度上，这是小于（大致动态）的寿命，这样的功能，这种快速积累需要螺旋功能的分数振幅是不是比单位小得多。这又要求气体的冷却时间尺度相对较短，这将该过程限制在外盘。我们指出，有效地转换成星子盘中的原始尘埃的一大部分可以拯救这种材料从众所周知的问题，快速向内迁移在$\sim$米大小的规模，并在原则上，这些对象的碰撞演化可能有助于重新供应小尘埃的原恒星盘。我们还指出，这种情况下推断的星子带的位置在主序星周围的碎片盘可能产生的影响，但强调，需要进一步的动力学研究，以建立光盘是否保留了星子创建的初始网站的记忆。
2009-06-04 astro-ph.EP astro-ph.SR
Global Spiral Density Wave Modes in Protoplanetary Disks: Morphology of Spiral Arms
我们分析了在极薄的，非粘性的，自引力的原行星盘中由引力不稳定性产生的双臂全球螺旋密度波模式，以了解旋臂形态（螺距角$α$和振幅）对各种盘条件的依赖性。由此产生的螺旋密度波模式的形态非常相似的观测。它们的俯仰角和图案速度对所采用的边界条件不敏感。在相同的条件下，高斯圆盘比幂律圆盘呈现出更紧密的螺旋缠绕（更小的螺距角）。我们发现，在一个固定的盘星质量比（$M_d/M_*$），俯仰角的平均Toomre的稳定性参数（$\overline Q$）或平均磁盘的纵横比（$\overline h$）增加。对于给定的$\overline Q$，具有较高$M_d/M_*$的密度波模式具有较大的俯仰角，而对于给定的$\overline h$，行为相反。俯仰角和盘属性之间的相互依赖性可以粗略地近似为$α\propto c_s^2/M_d$，其中$c_s$是声速。我们的引力不稳定性激发的螺旋密度波可以与行星发射的螺旋相区别：（1）大质量冷盘的螺旋螺距角随半径下降，而小质量热盘的螺旋螺距角随半径上升;（2）螺旋振幅的轮廓呈现出几个凹陷和隆起。我们提出引力不稳定性激发的密度波可以作为一种替代方案来解释所观察到的自引力原行星盘中的螺旋臂。
2020-11-10 astro-ph.EP astro-ph.GA
Investigating Protoplanetary Disk Cooling through Kinematics: Analytical GI Wiggle
年轻的原恒星盘很可能会经历一个自引力阶段。这样的系统的特点是存在一个螺旋图案，可以在准稳态或非线性不稳定的条件。这种螺旋波影响气体动力学和运动学，导致偏离开普勒旋转。近年来，人们对行星形成环境的运动学研究投入了大量的精力，由于对原恒星盘的高空间和光谱分辨率观测，我们现在能够测量甚至很小的速度场扰动（开普勒速度的$\lesssim 1 \%$）。在这项工作中，我们调查的引力不稳定性的运动学特征：我们进行了分析研究的线性响应的自引力盘的螺旋状扰动，我们的注意力集中在速度场扰动。我们发现，不稳定的磁盘有明确的运动学印记到整个磁盘范围内的气体成分，由于GI螺旋波扰动，导致开普勒旋转的偏差。这些特征的形状取决于几个参数，但它们受到冷却因素的显著影响：通过检测这些特征，我们可以限制原行星盘的冷却。
2022-01-11 astro-ph.EP
Direct Formation of Planetary Embryos in Self-Gravitating Disks
在离中心恒星很远的地方发现了巨大的行星。此外，大量年轻的星周盘在大的轨道间隔处有气体和/或尘埃间隙，可能是由嵌入的行星物体驱动的。然而，要在盘的寿命内通过核心吸积以大的轨道间距形成大质量行星，需要一个早期的固体来播种卵石和气体吸积。年轻的原行星盘很可能是自引力的，这些引力湍流盘可以有效地将固体物质集中在螺旋波驱动的中平面。我们运行3D局部流体动力学模拟gravitoturbulent磁盘与拉格朗日尘埃粒子，以确定粒子和气体的自重是否可以导致致密的固体的形成，播种后行星形成。当尘埃粒子之间的自引力被包括在内时，大小为$\mathrm{St} = 0.1$至$1$的固体聚集在重力湍流螺旋特征内，并在其自身的自引力作用下坍缩成密集的团块，在宽轨道上质量可达几个$M_{\oplus}$。模拟的尘埃漂移效率最高，$\mathrm{St}=1$，形成最大质量的粒子云，而模拟较小的尘埃颗粒，$\mathrm{St}=0.1$，有质量低一个数量级的团块。当把尘埃对气体的反作用包括在内时，尘埃团会变小，但会变多。在盘的早期阶段存在大型固体可以加速行星的形成过程，特别是在宽轨道分离的情况下，并可能解释远离中心恒星的行星和具有子结构的年轻原行星盘。
2022-04-28 astro-ph.EP
Planetesimal formation in self-gravitating discs -- dust trapping by vortices
在原行星盘中，一米大小的巨石成长为千米大小的星子的机制是一个积极研究的课题，因为它对行星形成至关重要。为了避免由于空气动力学阻力而螺旋进入原恒星，物体必须从厘米大小的鹅卵石（与气体紧密耦合）迅速成长为直径1- 100米的大石头。已经公知的是，盘的气体成分中的过密度提供了用于收集固体的潜在位置，并且盘的气体成分中的显著密度结构（例如，螺旋密度波）可以足够有效地捕获固体，使得盘的固体成分由于其自身的自重而经历进一步的引力坍缩。在这项工作中，我们采用PENCIL代码进行本地剪切片模拟大规模的自引力原行星盘，研究反气旋瞬态涡，或涡流，在这些磁盘上的固体的演变的影响。我们发现，这些类型的结构是非常有效的集中小型和中型尘埃颗粒的摩擦时间相当，或小于，当地的轨道周期的磁盘。这可能导致圆盘的固体成分中的密度明显过高，密度增加与螺旋密度波中的密度增加相当，甚至更高;增加固体引力坍缩成束缚结构的速率。
2015-08-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
The evolution of planetesimal swarms in self-gravitating protoplanetary discs
我们调查的自引力盘的星子的运动学演化，结合光滑粒子流体动力学（SPH）模拟的磁盘气体与引力耦合人口的测试粒子星子。我们发现，在半径为10秒的au（这是我们预计星子可能形成在这样的光盘）的星子的偏心率被迅速泵到值$>$ 0.1的时间尺度内，光盘是在自引力制度。螺旋臂中产生的高速度分散和缺乏星子浓度意味着碰撞的时间尺度非常长，并且那些确实发生的碰撞的影响是破坏性的，而不是导致进一步的星子生长。我们还使用SPH模拟来校准蒙特卡罗动力学实验：这些可以用来发展系统在很长的时间尺度，并可以与粒子角动量空间中的扩散方程的解析解进行比较。我们发现，如果星子只形成在一个带在大半径，然后有显着的散射的对象，以小半径，但大多数的星子仍然在大半径。如果星子确实形成于早期的演化阶段，当光盘是强烈的自引力，那么本研究的结果约束其空间和运动学分布在自引力阶段结束。
2013-02-28 astro-ph.EP
Vortices in self-gravitating gaseous discs
涡旋被认为在千米大小的微行星的形成中起着重要作用。然而，涡动力学通常在非自引力圆盘中进行研究。这里的主要目标是研究盘自重对涡动力学的影响。为此，我们采用二维自引力剪切片近似。采用了一个简单的冷却规律与恒定的冷却时间，使光盘沉降到一个准稳定的重力湍流状态。在这种状态下，旋涡出现作为瞬态结构经历反复出现的形成阶段，增长到与局部金斯尺度相当的大小，并由于自重力和背景开普勒剪切的综合影响而最终剪切和破坏。每个阶段通常持续约2个轨道周期或更少。因此，在自引力盘中，涡旋演化的整体动力学图像是不规则的，由许多处于不同演化阶段的瞬态涡旋组成，因此，具有不同的尺寸，直到局部Jeans尺度。涡旋在演化过程中产生密度波，密度波变成激波。因此，密度波和涡旋的动力学是耦合的，这意味着，在一般情况下，应该考虑涡旋和螺旋密度波模式，以获得正确的理解自引力盘动力学。我们的研究结果表明，鉴于这种不规则的和快速变化的字符的旋涡演变的自引力盘，它可能是难以有效地捕获尘埃粒子。然而，需要进一步研究嵌入自引力气体圆盘中的尘埃颗粒的行为，以加强这一结论。
2009-01-12 astro-ph.EP
Global simulations of self-gravitating magnetized protoplanetary disks
在原行星盘的早期阶段，当它的质量是其恒星的一个重要部分时，引力不稳定性（GI）产生的湍流应该在盘的演化中具有重要意义。同时，磁盘可能被充分电离，使磁场在动力学中发挥某种作用。虽然通常被忽视，但磁性对GI的影响可能是至关重要的，对几个过程产生影响：吸积的效率，螺旋结构的形成，破碎和固体的动力学。本文采用无网格有限质量拉格朗日方法对自引力原行星盘进行了全球三维磁流体动力学模拟。我们证实，GI螺旋波触发发电机，放大初始磁场近热振幅（等离子体β < 10），一个数量级大于单独的磁旋转不稳定性所产生的。我们还确定发电机的非线性反作用的gravitoturbulent流：饱和状态是相当热，与相关的较大的Toomre参数和较弱的，更“絮凝”的螺旋。但也许更重要的是发电机通过显著的麦克斯韦应力来促进吸积;质量吸积相对于纯GI或纯MRI被几个因素增强。我们的模拟使用理想MHD，公认的原行星盘的近似差，因此未来的研究应该探索非理想MHD的全部范围。为了做好准备，我们展示了少量的欧姆运行，揭示了发电机，如果有的话，在非理想环境中更强。这项工作证实，磁场是一个潜在的关键成分gravitoturbulent年轻磁盘，可能控制其演变，特别是通过其增强（潜在的情节）吸积。
2020-01-23 astro-ph.EP astro-ph.GA
Is the spiral morphology of the Elias 2-27 circumstellar disc due to gravitational instability?
最近ALMA对Elias 2-27系统的观测揭示了一个半径约为300 au的双臂结构。围绕中心恒星的原恒星盘异常巨大，这增加了该系统引力不稳定的可能性。最近的工作表明，所观察到的系统形态可以解释为光盘自引力，所以我们研究的物理性质的光盘检测自引力螺旋波。使用三维光滑粒子流体动力学，加上辐射转移和合成ALMA成像，我们发现，可观察到的螺旋结构只能解释自重力，如果光盘具有低的不透明度（因此有效的冷却），并最低限度地支持外部照射。这对应于一个非常狭窄的区域的参数空间，这表明，虽然它是可能的螺旋结构是由于光盘自重，其他的解释，如外部扰动，可能是首选。
2018-02-26 astro-ph.EP
A revised condition for self-gravitational fragmentation of protoplanetary disks
引力不稳定性导致的原行星盘碎裂是双星、棕矮星和气态巨行星形成机制的候选者。碎裂的条件被认为是盘冷却时间尺度与其动力学时间尺度相当。然而，一些数值模拟表明，即使冷却时间足够短，也不会发生碎裂，或者即使冷却效率低下，也会发生碎裂。为了揭示自引力盘碎裂的现实条件，我们进行了二维数值模拟，考虑了中心恒星的辐射和盘的辐射冷却效应，并精确地研究了原行星盘中形成的旋臂结构.我们表明，在旋臂的Toomre Q参数是一个必不可少的参数破碎。螺旋臂中只有当Q < 0.6时才断裂。我们进一步证实了在数值模拟中观察到的这种碎裂条件可以从自引力螺旋臂的线性稳定性分析中得到。这些结果表明，原行星盘的碎裂过程分为两个阶段：盘内旋臂的形成和旋臂的碎裂，我们的工作将原行星盘碎裂的条件简化为满足Q < 0.6的旋臂形成条件.
2016-03-30 astro-ph.EP astro-ph.SR
The fragmentation criteria in local vertically stratified self-gravitating disk simulations
巨大的星周盘容易产生引力不稳定性，这会触发螺旋臂的形成，在适当的条件下，螺旋臂可以分裂成束缚的团块。自引力盘的二维模拟是研究碎片化的有用起点，可以对薄盘进行高分辨率模拟。然而，收敛问题可能会出现在2D从各种来源。这些来源之一是自引力的二维近似，当势不平滑以考虑假设的盘的垂直范围时，它夸大了自引力在小尺度上的影响。这种效果会通过提高分辨率而增强，从而导致在更长的冷却时间尺度下发生碎片$β$。如果是真的，它表明，磁盘碎片的3D模拟可能没有相同的收敛问题，并可以用来检查碎片的性质，而无需在类似于磁盘尺度高度的尺度上平滑自引力。为此，我们进行了本地3D自引力盘模拟与简单的$β$冷却与固定的背景照射，以确定是否有必要正确地描述磁盘碎片。以上的分辨率为$\sim 40$网格单元每标度高度，我们发现，我们的模拟收敛相对于冷却时间尺度。这一结果与将碎裂边界置于$β_\mathrm{crit} = 3$的分析预期一致。
2017-09-01 astro-ph.EP
Pebble accretion in self-gravitating protostellar discs
卵石吸积已成为行星形成的核心吸积模型的一个流行组成部分，特别是与紧凑，共振的陆地行星系的形成。卵石最初形成于内部原行星盘，在径向扩张的前沿向外扫过，可能通过迁移和流动不稳定性形成星子和行星核心。这个卵石锋出现在早期，通常被认为是一个低质量的圆盘。我们认为，这张照片是在年轻的拱星盘，这是巨大的和自引力的现实冲突。我们应用标准卵石吸积和流动不稳定性公式的自引力原恒星盘模型。碎片会在卵石盘中打开一个缺口，但它们可能无法在气体中打开一个缺口，并继续快速向内迁移。如果这不强烈扰动卵石盘，我们的研究结果表明，盘碎片将有效地吸积卵石。我们发现，在一般情况下的卵石，气体密度比未能超过0.01，这表明流动的不稳定性将难以操作。如果有10厘米的颗粒，就有可能激活不稳定性，螺旋结构可以有效地将它们集中在低重力湍流的区域。如果发生这种情况，月球质量核心可能会在几千年的时间尺度上组装，** 但这可能是罕见的，而且远未得到证实 **。无论如何，这项工作强调了研究自引力原恒星盘如何定义固体物体的分布和性质的必要性，以便通过核心吸积形成未来的行星形成。
2019-02-14 astro-ph.EP
On the Gravitational Collapse of Small Dust Grains in Self-gravitating Disk Structures
通过三维剪切盒流体动力学模拟发现，在引力不稳定的原行星盘中，金属丰度 $Z \gtrsim 0.02$ 能克服小尘埃颗粒的扩散破坏，促使毫米级颗粒坍缩形成行星胚胎，从而加速行星形成。
2025-11-01 astro-ph.EP
Hiding Signatures of Gravitational Instability in Protoplanetary Discs with Planets
我们进行了三维SPH模拟表明，迁移的巨行星强烈抑制了自引力盘的螺旋结构。我们提出模拟ALMA连续观测表明，在没有行星的情况下，由于引力不稳定的螺旋臂很容易观察到。然而，在巨行星的存在下，螺旋结构被迁移的行星所抑制，导致一个具有环和间隙结构的大部分轴对称盘。我们对气体运动学的建模表明，这颗行星的存在可以推断出来，例如，使用光学薄的13 C16 O。我们的研究结果表明，它是没有必要的，以解释缺乏螺旋功能，否则预计在高质量光盘通过假设高的灰尘-气体质量比，以限制光盘的气体质量。
2020-11-09 astro-ph.EP
Non-linear spiral waves in accretion discs
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
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
Particle Dynamics in 3D Self-gravitating Disks II: Strong Gas Accretion and Thin Dust Disks
观测表明，原行星盘对中央年轻恒星有中等的吸积率，特别是在早期阶段（如HL Tau），表明中等的盘湍流。然而，最近的ALMA观测表明，尘埃高度沉降，意味着弱湍流。出于这种紧张局势，我们进行了3D分层的本地模拟自引力盘，专注于积极吸积盘尘埃粒子的沉降。我们发现，引力不稳定盘可以有适度高的吸积率，同时保持一个相对较薄的尘埃盘有两个原因。首先，来自自引力螺旋的吸积应力（自引力应力）可以比来自湍流的应力（雷诺应力）强5-20倍。第二，从气体到尘埃的强引力使尘埃尺度高度降低了另一个因子$\sim 2$。此外，湍流是轻微的各向异性，产生较大的雷诺应力比垂直粉尘扩散系数。因此，如果我们用垂直扩散系数（例如$Sc_z\sim$ 10-100）来衡量总的吸积应力，重力湍流盘具有异常高的垂直施密特数（$Sc_z$）。通过气体重力降低尘埃尺度高度，也应该在重力稳定盘（$Q>$ 1）中进行。粒子之间的引力对中等大小的尘埃的浓度变得更加相关，形成密集的尘埃云。通过与HL Tau观测结果的比较，我们的研究结果表明，自引力和不同盘组分之间的引力对于解决原行星盘吸积和尘埃沉降之间的冲突可能是至关重要的，至少在早期阶段是如此。
2021-01-29 astro-ph.EP
Resolved images of self-gravitating circumstellar discs with ALMA
在本文中，我们提出了大量的自引力拱星盘使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的模拟观测。使用平滑粒子流体动力学模型的$0.2M_{\odot}$光盘轨道的$1M_{\odot}$原恒星，与冷却模型适合光盘的温度低于$\sim 160$ K和代表性的尘埃不透明度，我们构建了地图的预期发射在亚毫米波长。然后，我们使用CASA ALMA模拟器生成模拟图像和不同的阵列配置和观测频率，同时考虑到预期的热噪声和大气不透明度。我们发现，在345千兆赫（870 $μ$米）的螺旋结构，在几个AU的分辨率应该很容易检测到大约面对光盘的距离金牛座御夫座恒星形成复合体。
2010-04-29 astro-ph.EP astro-ph.SR
The Effect of Irradiation on the Jeans Mass in Fragmenting Self-Gravitating Protostellar Discs
当一个自引力盘受到辐照时，它的碎裂倾向将受到影响。自引力光盘应力的强度预计将决定光盘碎片：由于这些扭矩的强度通常会随着声速的增加而降低，因此可以合理地假设，与未照射的情况相比，光盘碎片会受到抑制，尽管以前的工作已经表明，细节会因照射源而变得复杂。我们扩大了以前的分析牛仔裤内的螺旋结构在自引力盘的质量，将恒星辐射和背景辐射的影响。如果辐射是存在的，碎片被抑制在低吸积率的边缘不稳定的光盘（相比无辐射的情况下），但这些较低的吸积率对应于较高的质量光盘。碎片仍然可以发生高吸积率，但因此抑制在较低的磁盘表面密度，和随后的金斯质量的提升。这些结果进一步支持了这样的共识，即如果没有随后的碎片破裂或质量损失，引力不稳定性更有可能形成棕矮星和低质量恒星，而不是气体巨行星。
2013-01-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
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
The Jeans Mass as a Fundamental Measure of Self-Gravitating Disc Fragmentation and Initial Fragment Mass
作为原恒星盘中的巨行星和低质量恒星（以及活动星系核盘中的恒星）等天体的形成途径，自引力盘碎片化理论需要能够预测碎片的初始质量。我们描述了一种方法，通过这种方法可以估计自引力盘的螺旋结构内的局部Jeans质量。如果这样一个自引力盘满足盘碎片的标准，这个估计提供了一个下限的初始质量的任何碎片形成。我们将这种方法应用于一系列自引力原恒星盘模型，以绘制出这种形成模式产生的碎片的典型质量。我们发现一个最小的碎片质量约3木星的质量，这是不敏感的恒星质量，并-在参数空间调查-碎片的质量之间的10和20木星质量是最常见的。我们还描述了如何让我们得到一个更一般的标准光盘碎片，占粘性加热，辐射冷却，吸积和光盘的热历史的过程。我们演示了如何可以确定这样的标准，并表明，在有限的情况下，它恢复了几个破碎的标准，已经假定在过去，包括最小冷却时间/最大应力标准。
2011-07-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
Triggered fragmentation in self-gravitating discs: forming fragments at small radii
我们对引力不稳定盘进行了三维辐射流体动力学模拟，以探索盘在初始碎裂后的质量运动。我们发现，在光盘的某些部分的气体的径向速度增加了约10倍后，光盘碎片，相比之前。虽然质量的运动发生在向内和向外两个方向上，但向内的运动可以导致自引力盘的内部螺旋变得足够密集，使得它们可以潜在地碎裂。这表明，碎片盘的动力学行为可能会导致随后的碎片发生在比最初预期的更小的半径，但只有在初始碎片已经形成在外盘。
2015-09-16 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Outward migration of a giant planet with a gravitationally unstable gap edge
我们提出了盘行星相互作用的数值模拟，行星打开一个引力不稳定的差距，否则引力稳定盘。在我们的圆盘模型中，外部间隙边缘可能对全球螺旋模式不稳定，我们发现，随着我们增加表面密度尺度，间隙变得更加不稳定，行星向外迁移的速度更快。我们表明，正扭矩是由螺旋臂带入行星共轨区域的材料提供的。这种材料预计将执行马蹄形转向接近的行星，因此扭矩it.Our研究结果表明，标准的II型迁移，适用于巨行星在非自引力粘性盘，很可能会显着修改大规模光盘时，与差距的引力不稳定性发生。
2011-12-07 astro-ph.EP
On the fragmentation boundary in magnetised self-gravitating discs
我们调查的作用，磁场的碎片的自引力盘使用三维全球理想磁流体动力学模拟进行的“幻影”平滑粒子流体动力学代码。对于最初的环形场，我们发现两个制度。在第一种情况下，冷却时间大于动力学时间的五倍，磁场降低螺旋密度波振幅，这反过来又抑制了碎裂。即使磁压力只有热压力的十分之一，情况也是如此。当冷却时间足够短以致于磁场不能阻止碎裂时，发生第二种状态。我们发现，磁化光盘产生更多的大规模的碎片，由于这两个额外的压力施加的磁场，和额外的角动量输运诱导麦克斯韦应力。碎片被限制在一个较窄的范围内的初始半长轴比那些在未磁化的磁盘。未磁化和磁化的圆盘碎片的轨道偏心率和倾角分布是相似的。我们的研究结果表明，破碎边界可能是在冷却时间的一个因素，两个低于纯流体动力学模型预测。
2016-12-19 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
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
Radiation Hydrodynamics of Self-gravitating Protoplanetary Disks: I. Direct Formation of Gas Giants via Disk Fragmentation
通过三维辐射流体动力学模拟，研究自引力原行星盘中的引力不稳定性，发现增加盘质量和降低不透明度可促进碎裂，形成的团块质量与气态巨行星一致，支持引力不稳定性作为巨行星形成途径。
2025-10-22 astro-ph.EP
Formation of Gaps in Self-Gravitating Debris Disks by Secular Resonance in a Single-planet System I: A Simplified Model
碎片盘的空间分辨图像经常显示复杂的形态，如间隙、螺旋和扭曲。大多数现有的解释这种形态的模型都集中在大质量扰动（即行星，恒星伴星）的作用上，忽略了盘本身的引力效应。在这里，我们调查一个偏心行星和一个大规模的，外部碎片盘使用一个简单的分析模型之间的长期相互作用。我们的框架既考虑了盘和行星之间的引力耦合，也考虑了盘的自引力--但有一个限制，即它忽略了盘（自）引力的非轴对称分量。我们一般发现，即使当盘的质量小于行星时，系统也可能在盘内具有长期共振（与天真的预期相反），其中微行星的偏心率得到显着激发。鉴于这一结果，我们认为双环碎片盘，如HD 107146和HD 92945周围的碎片盘，可能是与盘内部尚未探测到的行星长期共振的结果。我们的特征的长期共振的性质（即位置，时间尺度和宽度）对行星和磁盘参数的依赖性，发现该机制是强大的磁盘是足够大的。作为一个例子，我们将我们的结果应用到HD 107146，发现这种机制很容易产生$\sim 20$ au宽的非轴对称的差距。我们的研究结果可用于设置约束的双环碎片盘的总质量。我们证明了这一点HD 206893，我们推断磁盘质量的$\approx 170$地球质量考虑扰动从已知的褐矮星同伴。
2021-01-08 astro-ph.EP
Dynamical instabilities in disc-planet interactions
原行星盘可能由于嵌入的巨行星引起的结构而变得动态不稳定。在这篇论文中，我讨论了这样的系统的稳定性，并探讨了不稳定性对行星迁移的影响。我开始与非自引力，低粘度光盘，并表明，巨行星诱导其共轨区域内的冲击，导致一个不稳定的配置文件周围的潜在涡度最小值的漩涡形成。这种不稳定性通常被称为涡旋或Rossby波不稳定性。涡旋-行星的相互作用导致迁移的阶段性阶段，这可以在第三类迁移的框架中理解。然后，我检查光盘自重对间隙稳定性的影响。Rossby波不稳定性的线性理论扩展到包括磁盘重力，这表明，自重力是有效的稳定涡不稳定性在小方位波数。这与流体动力学模拟中随圆盘质量增加而产生更多涡流的观察结果一致。自引力圆盘中的旋涡也会抵制合并，最简单的理解是成对的旋涡在相遇时经历相互的马蹄形转弯。我表明，在足够大的光盘涡模式被抑制。相反，全球螺旋不稳定性的发展，这是与一个潜在的涡度最大值在间隙边缘。这些边缘模式可以物理地理解为间隙边缘和外部盘之间通过重力的不稳定相互作用的结果。我展示了旋臂可以在地球上提供一个正扭矩，导致快速向外迁移。我确认上述结果，从剃刀薄光盘模型，坚持在三维。
2012-03-21 astro-ph.EP
Secular evolution of viscous and self-gravitating protoplanetary discs with magnetic winds
Research Institute of Physics, Southern Federal University（南联邦大学物理研究所）；Faculty of Physics, Southern Federal University（南联邦大学物理学院）；Institut für Astro- und Teilchenphysik, Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学天体与粒子物理研究所）；Mullard Space Science Laboratory, University College London（伦敦大学学院穆拉德太空科学实验室）
本研究通过全球数值模拟，综合评估黏性、磁风和自引力三种机制在原行星盘演化中的作用，发现不同阶段各机制主导，并强调长期模拟需综合考量。
2026-09-16 astro-ph.EP
Binary companions triggering fragmentation in self-gravitating discs
对邻近（$<1$ AU）的巨行星和棕矮星（$M\gtrsim7$ M $_{\rm Jup}$）系统的观测发现了过多的双星伴星，这表明恒星的多样性可能在它们的形成中发挥了重要作用。现在有越来越多的证据表明，其中一些物体可能是通过重力不稳定盘中的碎片形成的。我们提出了一套3D光滑粒子流体动力学（SPH）模拟的双星系统与circumprimary自引力盘，其中包括一个现实的近似辐射运输，并广泛探索同伴的轨道参数空间的配置，可能会触发碎片。我们确定了一个“甜蜜点”，中间分离的二元伴侣（$100$ AU $\lesssim a\lesssim400$ AU）可以导致一个勉强稳定的光盘碎片。理想双星分离的精确范围是伴星的偏心率、倾角和质量的函数。加热通过有效的冷却来平衡，碎片发生在伴星驱动的螺旋模式中。短暂分离、穿透星盘的双星相遇（$a\lesssim100$ AU）对碎裂是禁止的，因为质量剥离和星盘加热会淬灭任何不稳定性。这也适用于具有高轨道偏心率的双星伴星（$e\gtrsim0.75$）。宽分离同伴（$a\gtrsim500$ AU）对这里考虑的设置参数的光盘属性几乎没有影响。发现的最佳点与在巨行星和棕矮星中显示过度接近的双星分离范围一致。因此，我们认为，由一个双伴星引发的碎片可能有助于这些亚恒星物体的形成。
2022-01-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust trapping by spiral arms in gravitationally unstable protostellar discs
本文讨论了大质量原恒星盘中引力不稳定性对尘埃动力学的影响。从光滑粒子流体动力学（SPH）模拟出发，我们计算了尘埃在准静态气体密度结构中的演化。对于不同的粒度分布，我们已经调查了螺旋臂捕获颗粒的能力。我们已经运行了三维辐射转移模拟，以构建（亚）毫米和近红外波长的预期发射图。最后，我们模拟了我们的光盘模型在（亚）毫米和近红外波长，因为他们可能会出现与阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列（ALMA）和高对比度冠状成像仪自适应光学（HiCIAO），以调查是否有螺旋结构的观测签名。我们发现，引力不稳定性引起的压力不均匀性产生不可忽略的动力学效应厘米级的粒子导致显着的超密度的螺旋臂。我们还发现，螺旋结构是很容易检测到的ALMA在很宽的范围内（分）毫米波长和HiCIAO在近红外散射光的非面对光盘位于蛇夫座恒星形成区域。此外，我们发现明确的空间光谱指数的变化，整个光盘，揭示了尘埃捕获产生的迁移大颗粒，可以通过多波长观测（亚）毫米的潜在调查。因此，迄今在原行星盘中观察到的旋臂可以解释为引力不稳定性发展引起的密度波。
2015-04-30 astro-ph.EP 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
A two-step gravitational cascade for the fragmentation of self-gravitating discs
自引力盘被认为在天体物理学中起着重要作用，特别是在恒星和行星形成过程中。在这种情况下，已经广泛地研究了经受理想化冷却过程的盘，该理想化冷却过程的特征在于以轨道时间尺度为单位表示的冷却时间尺度$β$。我们利用黎曼解算器和3D Goddom计划中实施的代码拉美西斯进行高分辨率的模拟，补充以前的研究，使用平滑粒子流体动力学（SPH）或二维网格代码。我们观察到，临界值的$β$的光盘碎片是与大多数以前的结果是一致的，并没有很好地收敛与分辨率。通过研究柱密度波动的概率密度函数（$Σ$ -PDF），我们认为，有没有严格的分离之间的碎片和未碎片的制度，而是一个平稳的过渡，随着冷却变得不那么有效的片段的出现的概率稳步下降。我们发现$Σ$ -PDF的高柱密度部分遵循简单的幂律，其斜率与$β$成比例，并且我们提出了一种基于重力应力冷却和加热之间平衡的解释。我们的解释表明，一个更有效的冷却需要更多的加热意味着一个更大的部分致密的材料，在没有特征尺度，导致在一个较浅的无标度幂律。我们认为引力级联过程分两步进行，首先是通过一系列由角动量的粘性输运触发的准静力平衡形成致密的螺旋状结构，其次是沿着这些细丝坍缩，最终导致形成有界碎片。
2021-04-01 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
From spirals to rings: dust dynamics in gravitoturbulent protoplanetary discs after late infall
IRAP, Université de Toulouse, CNRS, CNES（图卢兹大学 IRAP）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)（波茨坦莱布尼茨天体物理研究所）；IPAG, Université Grenoble Alpes, CNRS（格勒诺布尔阿尔卑斯大学 IPAG）；Departamento de Física, Universidad de Santiago de Chile（圣地亚哥智利大学物理系）；Department of Physics and Astronomy, University of Nevada, Las Vegas（内华达大学拉斯维加斯分校物理与天文系）；Max Planck Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Department of Physics, University of Warwick（沃里克大学物理系）；Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon, CNRS, CRAL（里昂第一大学、里昂高等师范学校 CRAL）；School of Physics and Astronomy, University of Leicester（莱斯特大学物理与天文学院）
本研究通过二维流体动力学模拟和辐射转移计算，发现晚期吸积触发的引力不稳定性在原行星盘中形成旋臂，其耗散产生持久尘埃环，使盘从旋臂结构演化为环状结构。
2026-09-10 astro-ph.EP astro-ph.SR
Analysis of the arm-like structure in the outer disk of PDS 70. Spiral density wave or vortex?
观察行星和盘之间的动力学相互作用是理解它们形成和演化的关键。最近在PDS 70的原行星盘内发现了两颗原行星，以及朝向恒星西北的臂状结构。我们的目标是限制这种臂状结构的形态和起源，并评估它是否可以追踪行星PDS 70 c和圆盘之间动力学相互作用引起的螺旋密度波。我们分析了偏振和角度差分成像（PDI和ADI）的数据与VLT/SPHERE，跨越六年的观测。PDI数据集使用IRDAP极化数据缩减管道进行缩减，而ADI数据集使用MUSTARD进行处理，MUSTARD是一种新颖的逆问题算法，用于解决破坏先前用于分析该磁盘的图像的几何偏差。我们确认了所有PDI和ADI数据集中臂状结构的存在。我们没有观察到一个东南对称的手臂相对于磁盘短轴，这似乎不赞成以前的假设，手臂是一个双环结构的足迹。如果该结构跟踪PDS 70 c运动后的螺旋密度波，我们预计螺旋的$11\overset{\circ}{.}28^{+2\overset{\circ}{.}20}_{-0\overset{\circ}{.}86}$旋转在六年内。然而，我们没有测量结构的任何显著移动。如果臂状结构是一个行星驱动的旋臂，观察到的旋转的缺乏将表明，刚体旋转的假设可能是不适当的行星诱导的螺旋。我们认为，臂状结构，而不是跟踪漩涡出现在一个单臂螺旋散射光由于投影效应。涡旋假说解释了观测到的旋转的缺乏和ALMA检测到的附近亚毫米连续不对称性的存在…
2022-11-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Gravitational instabilities in a protosolar-like disc III: molecular line detection and sensitivities
在形成时，原行星盘可能包含与其宿主原恒星相当的质量。因此，引力不稳定性（GI）预计将在盘演化的早期阶段发挥关键作用。然而，由于这些年轻的物体被大量嵌入，地理标志的确认仍然难以捉摸。因此，我们使用辐射转移程序LIME来产生一个$0.17\,\mathrm{M}_{\odot}$自引力类原太阳盘的线图像。我们注意到使用LIME的局限性，并探索改进默认网格的方法。我们合成无噪声观测，以确定所需的灵敏度来检测螺旋通量，并发现线通量分布并不一定相关的丰度密度分布，因此执行辐射转移计算是必要的。此外，由于GI加热的中平面和高消光，在吸收中看到螺旋特征，这可能指示GI活动。如果使用一个小的光束尺寸和适当的分子线，然后空间分辨螺旋在一个原太阳像光盘应该是可能的ALMA源时间为30小时。光谱分辨非轴对称结构只需要十分之一的时间为一个合理的噪音水平，但归因于这种结构GI引起的活动将是试探性的。最后，我们发现，识别手指状功能PV图的近边缘上的光盘，这是一个直接的指标的螺旋，是可行的源时间为19小时，因此可能提供了最有前途的手段，确认GI驱动的螺旋结构在年轻的，嵌入式原行星盘。
2018-10-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Introducing two improved methods for approximating radiative cooling in hydrodynamical simulations of accretion discs
针对吸积盘流体动力学模拟中完整辐射转移成本过高的问题，本文提出两种基于多方冷却近似的改进方法，其中专为自引力盘设计的 Modified Lombardi 方法能准确再现碎裂盘的柱密度、团块与螺旋结构。
2024-05-09 astro-ph.EP astro-ph.SR
