The Possibility of the Kelvin-Helmholtz Instability during Sedimentation of Dust Grains in the Protoplanetary Disk
在本文中,我们重新检查的可能性,剪切驱动的湍流沉降过程中的尘埃颗粒在原行星盘。在MMSN模型中,剪切驱动的湍流将在引力不稳定性发生之前出现。而根据以往的研究,如果不考虑尘埃颗粒的生长,随着尘埃颗粒的丰度较大,引力不稳定性发生在剪切驱动湍流之前。本文考虑了尘埃粒子增长的情况,发现即使在尘埃粒子丰度很大的情况下,Kelvin-Helmholtz不稳定性也倾向于先于引力不稳定性发生。这与以前没有尘埃生长的结果不同。
2012-12-13 astro-ph.EP
Impact of magneto-rotational instability on grain growth in protoplanetary disks: II. Increased grain collisional velocities
湍流是原行星盘中各种尺寸颗粒碰撞速度的主要来源。尽管有证据表明原行星盘中的湍流可能是非柯尔莫哥洛夫湍流,但到目前为止,只有柯尔莫哥洛夫湍流被考虑用于计算颗粒碰撞速度。在这项工作中,我们提出了计算颗粒碰撞速度的任意湍流模型,其特征在于幂律谱和确定的三个无量纲参数:斜率的动能谱,斜率的自相关时间,和雷诺数。我们的研究结果的影响说明了不同的湍流模型的晶粒尺寸演化的数值模拟。我们发现,对于Iroshnikov-Kraichnan湍流和由磁旋转不稳定性引起的湍流,小颗粒的碰撞速度远大于标准Kolmogorov湍流。这导致原行星盘外部区域的颗粒更快凝聚,导致毫米波长的尘埃不透明度迅速增加,并可能促进非常年轻的盘中的行星形成。
2021-06-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Growing dust grains in protoplanetary discs - III. Vertical settling
我们的目标是推导出一个简单的分析模型,以了解垂直沉降生长的尘埃颗粒在层流原行星盘的基本属性。分离的垂直动力学中的磁盘中平面的运动,我们集成的线性和指数晶粒生长速率的运动方程。对更复杂的增长模型进行数值积分。我们发现,沉降效率取决于无量纲参数γ的值,其特征在于相对于气体阻力的晶粒生长的相对效率。由于伽马值被认为是星盘中初始尘埃与气体的比值(10^-2的量级),因此颗粒的生长增强了尘埃粒子的能量耗散,并提高了原行星盘中的沉降效率。这种行为主要是独立的增长模型以及颗粒的径向漂移。
2013-11-06 astro-ph.EP
Evolution of Coated Grains in Spiral Shocks of Self-Gravitating Protoplanetary Disks
我们研究了由包裹橄榄石核的冰壳组成的颗粒在通过原行星盘中的螺旋激波时的演化。我们使用已发表的三维辐射流体动力学模拟的大规模自引力原行星盘提取的热力学螺旋冲击在该地区之间的10和20 AU的中央恒星。当密度波通过时,它加热了颗粒,使它们失去冰壳,导致颗粒不透明度降低。此外,由于不同大小的颗粒将具有略微不同的温度,因此冰将从较热的颗粒迁移到较冷的颗粒。迁移速率取决于背景气体的温度,因此,如果气体被暂时加热到高于$\sim 150$ \,K,则对于低温有效稳定的颗粒分布可能经历不透明性的不可逆变化。我们发现,不透明度可以下降更多,并在一个显着更快的速度在整个螺旋冲击相对于预测的标准尘埃颗粒模型采用流体动力学计算的原行星盘。这将导致螺旋臂内的气体冷却更快。我们讨论了我们的研究结果的影响磁盘碎片到亚恒星物体的距离在几十个天文单位的敏感性。
2011-03-30 astro-ph.EP
Dust Dynamics in Protoplanetary Disk Winds Driven by Magneto-Rotational Turbulence: A Mechanism for Floating Dust Grains with Characteristic Sizes
通过模拟尘埃颗粒在垂直方向上的时间演化,研究了磁旋转湍流驱动的原行星盘风中不同尺寸尘埃颗粒的动力学行为。与气体耦合良好的小尘埃颗粒被向上流动的气体向上拖曳,而大颗粒则留在圆盘的中平面附近。中等尺寸的颗粒在向下的重力和向上的气体阻力之间的时间平均力平衡中从中平面漂浮在几个尺度高度处。对于1天文单位的最小质量太阳星云,尘埃颗粒大小为20 - 40 $μm$漂浮在距离中平面5-10刻度的高度。考虑到与中心恒星的距离的依赖性,较小尺寸的颗粒仅保留在盘的外部区域,而较大尺寸的颗粒分布在更广泛的区域。我们还讨论了我们的结果的影响,年轻恒星周围的尘埃物质的观测。
2016-02-12 astro-ph.EP
Tracking Dust Grains During Transport and Growth in Protoplanetary Disks
原行星盘是动态物体,其中的尘埃颗粒和气体预计会在很长的距离内重新分布。这种重新分布的证据在其他原行星盘和我们自己的太阳系中都有发现,高温物质被认为起源于靠近中心恒星的寒冷区域,在盘的外部区域。虽然模型已经表明这种重新分布是可能的,通过各种机制,这些模型通常忽略了可能的增长,通过颗粒之间的碰撞,将发生在运输过程中的固体。在这里,我们调查的相互作用的凝聚和径向和垂直运输的固体在原行星盘,考虑的情况下,增长是有限的反弹或破碎。我们发现,在所有情况下,生长有效地限制了物质向外携带或在距离恒星很远的地方保存的能力。这是由于固体被纳入大的聚集体,在气体拖曳的作用下迅速向内漂移。我们讨论了混合在原行星盘的影响,以及如何在外盘高温材料的保存可能需要的结构或向外流动的模式,以避免他们失去通过径向漂移。
2019-10-01 astro-ph.EP
Investigating the Relative Gas and Small Dust Grain Surface Heights in Protoplanetary Disks
原行星盘中的尘埃从小尘埃颗粒到卵石的演化是行星形成过程的关键。原行星盘中的气体应该会影响小尘埃颗粒的垂直分布($\sim$ 1 $μm$),利用近红外偏振光和毫米波观测资料,测量了三个原行星盘IM Lup,HD 163296,和HD 97048(CU Cha)。对于两个系统,IM Lup和HD 163296,$^{12}$ CO气体和小尘埃颗粒在小半径的恒星有类似的高度,但在较大的半径($>$ 100 au)的尘埃颗粒散射表面高度低于$^{12}$ CO气体排放表面高度。在HD 97048的情况下,小尘埃颗粒散射表面在所有半径处具有与$^{12}$ CO气体发射表面相似的高度。我们运行了一个原行星盘辐射转移模型的一般原行星盘与TORUS,并表明有没有观察到的散射表面和$^{12}$ CO发射表面之间的差异。我们还对系统进行了分析建模,发现大于100的气尘比可以解释在IM Lup和HD 163296中观察到的差异。这是对原行星盘中气体和小尘埃颗粒高度分布观测的首次直接比较。未来需要对气体排放和近红外散射光仪器进行观测,以在其他原行星盘中寻找类似的趋势。
2021-04-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
Evolution of porous dust grains in protoplanetary discs -- I. Growing grains
行星形成的一个主要问题是所谓的径向漂移障碍,它阻碍了小尘埃成长为星子。厘米到分米大小的卵石被认为在原行星盘上径向漂移的速度比它们长大的速度要快,因此会丢失到恒星中。为了克服这一障碍,漂移必须减慢或停止,或者需要加速生长。在本文中,我们调查的作用,孔隙度的漂移和增长。我们已经开发了一个模型,孔隙度的演变过程中的晶粒生长,并将其应用到原行星盘的数值模拟。我们发现,多孔晶粒的生长速度更快,使他们能够过渡到斯托克斯阻力制度,从气体中解耦,并生存的径向漂移障碍。在圆盘的大面积上,由多孔尘埃直接形成小的星子是可能的。
2020-03-21 astro-ph.EP astro-ph.SR
ALMA Observations of the Inner Cavity in the Protoplanetary Disk around Sz 84
利用阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵(ALMA)对金牛座T星Sz~84周围的一个原行星盘进行了观测,分析了尘埃盘中心区域的内腔结构。Sz~84的光谱能量分布(SED)在$λ\lesssim$ 10~ $μ$ m处具有可忽略不计的红外过量,这是由于盘的腔结构造成的。对1.3mm尘埃连续谱的观测结果和SED的分析表明,大尘埃(毫米级)盘中的空洞半径为8au,小尘埃(亚微米级)盘中的空洞半径为60 au。此外,根据SED分析,我们估计$r<$ 60~au小尘埃颗粒的质量上限小于$\sim$ 10 $^{-3}$ ~ $M_{\rm earth}$,即$\lesssim$占$r<$ 60~au总(小~ $+$ ~大)尘埃质量的0.01~\%.这些结果表明,大的尘埃颗粒占主导地位,在$r<$ 60~au,这意味着尘埃颗粒有效地增长与低效率的碎裂在这一地区,可能是由于弱湍流和/或粘性尘埃颗粒。颗粒生长和尘埃破碎的平衡是决定原行星盘中大尘埃颗粒大小的重要因素,因此Sz~84可以作为研究此类盘中颗粒生长的良好试验平台。
2020-09-21 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Growing dust grains in protoplanetary discs - II. The Radial drift barrier problem
我们的目标是研究原行星盘中不断增长的尘埃颗粒的迁移,其中生长和迁移是紧密耦合的。这包括了尘埃颗粒增长的径向漂移障碍的关键问题。因此,我们扩展了在论文I中进行的研究,考虑模型的晶粒生长和晶粒动力学的迁移和生长速率取决于晶粒尺寸和在光盘中的位置。圆盘轮廓和生长模型的参数空间进行了详尽的探索。在这样做时,也提供了在数值模拟中发现的晶粒运动的解释。我们发现,大量的情况下,需要完全考虑晶粒的径向运动,提供了大量的可能的结果。它们中的一些导致尘埃颗粒被吸积到中央恒星上,而另一些则没有。然后我们发现,圆盘需要q<1才能保持其生长的粒子,其中q是径向温度分布T(R)的指数,与R^-q成正比。此外,初始的尘埃与气体的比例必须超过一个临界值,才能有效地堆积颗粒,从而避免被吸积到中心恒星上。还发现圆盘能有效地保留由碎裂再生的小尘埃颗粒。我们展示了这些结果是如何敏感的湍流模型考虑。尽管一些物理过程被忽略了,这项研究允许勾勒出一个场景,其中颗粒可以生存的径向漂移障碍在原行星盘,因为他们的成长。
2013-11-06 astro-ph.EP
Ionization and Dust Charging in Protoplanetary Disks
稠密星际和星周环境中的电离-复合平衡是一系列重要物理过程的关键因素,如化学反应、尘埃充电和凝聚、气体与磁场的耦合以及原行星盘中不稳定性的发展。我们确定了一个临界气体密度以上的颗粒表面上的电子和离子的复合占主导地位的气相复合。对于这个政权,我们提出了一个自洽的分析模型,使我们能够准确地计算丰度的带电物种在含尘气体,而不作假设的颗粒电荷分布。为了证明所提出的方法的重要性,我们检查是否传统的近似低颗粒电荷是有效的典型的原行星盘,并讨论尘埃凝聚和发展的“死区”的磁盘的影响。所提出的模型是适用于任意粒度分布,并为给定的灰尘属性和条件的磁盘,只有一个自由参数-离子的有效质量,显示有一个低的效果的结果。该模型可以很容易地包括在致密分子云和原行星盘的尘埃演化的数值模拟。
2016-10-13 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Gas Phase Ion Species Released During Grain Collisions: Implications For Protoplanetary Disks
University of Duisburg-Essen(杜伊斯堡-埃森大学)
本研究通过质谱法检测晶粒碰撞释放的分子,发现碰撞会释放水等吸附物,为原行星盘摩擦电离的重要性提供了实验支持。
2026-08-03 astro-ph.EP
Millimeter-wave polarization of protoplanetary disks due to dust scattering
提出了一种利用毫米波段偏振观测来约束原行星盘中晶粒尺寸的新方法。如果尘埃颗粒生长到与波长相当的尺寸,则尘埃颗粒预计具有大的散射不透明度,因此连续谱发射预计由于自散射而偏振。我们进行三维辐射转移计算,以估计偏振度的原行星盘具有径向高斯状尘埃表面密度分布,这是最近发现的。将最大粒径设定为$100 {\rm~μm}$,将观测波长设定为870 ${\rm μm}$。我们发现,偏振度是高达2.5%的subarcsec的空间分辨率,这是很可能被检测到与不久的未来ALMA观测。由于各向异性连续发射的散射,发射是偏振的。偏振度分布呈双峰分布,内环偏振方向为径向,外环偏振方向为方位角。我们还发现了偏振度的波长依赖性:当尘埃颗粒的最大尺寸为$a_{\rm max}\simλ/2π$时,偏振度最高,其中$λ$是观测波长。因此,对原行星盘的多波和空间分辨偏振观测使我们能够对晶粒尺寸施加约束。从偏振观测的晶粒尺寸的约束是独立的,甚至可能比从不透明度指数更强。
2015-07-09 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Growing dust grains in protoplanetary discs - I. Radial drift with toy growth models
在一系列的论文中,我们提出了一个全面的分析研究的全球运动的增长尘埃颗粒在原行星盘,解决径向漂移和垂直沉降的颗粒。在这里,我们研究尘埃颗粒的径向漂移如何受到颗粒生长的影响。在第一步中,玩具模型,其中晶粒生长可以是恒定的,加速或减速。运动方程是解析可积的,因此颗粒动力学很容易理解。生长晶粒的径向运动由生长和迁移过程的相对效率决定,该相对效率由无量纲参数λ以及分别表示为p和q的气体表面密度和温度分布的指数表示。当λ是为了统一,增长和迁移强烈耦合,提供最有效的径向漂移。对于所考虑的玩具模型,当-p+q+1/2<0时,颗粒堆积。重要的是,我们显示了第二个过程的存在,可以帮助光盘保留其固体材料。为了加速生长,颗粒以有限半径结束迁移,从而避免被吸积到中心恒星上。
2013-11-06 astro-ph.EP
Photophoretic Levitation and Trapping of Dust in the Inner Regions of Protoplanetary Disks
在原行星盘中,尘埃颗粒相对于气体和相对于不同大小的颗粒的差异重力驱动的沉降决定了颗粒的可观测性,并为颗粒生长和最终行星形成设定了条件。在这项工作中,我们探讨了在积极吸积的原行星盘的内部区域的大尘埃颗粒的沉降的电泳效应。尘埃颗粒上的光泳力是由气体分子与受热不均的颗粒碰撞而产生的。我们进行一维尘埃沉降计算,以确定尘埃颗粒在磁盘的每列的平衡垂直分布。在这个过程中,我们引入了一个新的治疗的电泳力,这是一致的,在所有的光学深度与代表性的辐射强度场的双流辐射转移近似。大尘埃颗粒的悬浮产生了一个比中平面高出几个尺度的尘埃陷阱,在吸积能量耗散显著的圆盘内部区域。我们发现,差异沉降的尘埃颗粒是从根本上改变在这些地区的磁盘,与大尘埃颗粒被困在一个层以下的恒星照射表面的尘埃与气体的质量比可以提高了一个因素的100个相关的粒子。电泳捕集效应对颗粒尺寸和孔隙率有很强的依赖性。
2017-01-09 astro-ph.EP
Polarization reversal of scattered thermal dust emission in protoplanetary disks at (sub-)mm wavelengths
原行星盘的偏振光研究是制约尘埃性质、盘形和嵌入磁场的关键。然而,不同的偏振机制和尘埃颗粒的形状和成分的多样性导致偏振图案的模糊性。所谓的“自散射”的热,再发射的辐射在红外和毫米/亚毫米作为一个主要的偏振机制进行了讨论。如果辐射场的净通量是径向的,通常假设原行星盘中散射产生的偏振图案显示出面向盘的同心环。我们表明,翻转的$90^\circ$的偏振矢量可能会发生和模仿的典型模式的尘埃颗粒排列的环形磁场中看到接近face-on. Further,这种效应的偏振反转是一个快速变化的函数的波长和晶粒尺寸,因此,一个强大的工具来约束颗粒成分和尺寸分布存在于原行星盘的磁盘。此外,该效应还可以为盘倾斜提供独特的约束,特别是如果盘靠近正面观察。
2019-07-05 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
A Fast and Accurate Calculation Scheme for Ionization Degrees in Protoplanetary and Circumplanetary Disks with Charged Dust Grains
发展了一种快速、精确计算含尘埃颗粒的原行星盘和环行星盘电离度的方法。我们应用我们的方法计算了环行星盘的电离度。了解原行星/环行星盘的结构和演化是很重要的,因为它们被认为是行星/卫星形成的场所。引起气体吸积的湍流被认为是由磁旋转不稳定性(MRI)驱动的,磁旋转不稳定性仅在电离度足够高以使磁场耦合到气体时发生。我们计算了环行星盘的电离度,以估计MRI不活跃区域的大小。我们适当地包括尘埃颗粒的影响,因为它们有效地捕获带电粒子,使电离度较低。包含尘埃颗粒使反应方程复杂化,需要昂贵的计算。为了加速电离反应的计算,我们发展了一种基于电荷分布模型的半解析方法。这种方法使我们能够研究广泛的模型参数的磁盘的电离状态。对于以前的模型的环木星盘,我们发现,MRI不活跃的区域几乎覆盖了所有的地区,即使没有尘埃颗粒。这表明,在环行星盘中的气体吸积率比以前认为的要小得多。
2011-09-07 astro-ph.EP
Millimeter-wave polarization due to grain alignment by the gas flow in protoplanetary disks
如果尘埃颗粒被拉长并沿同一方向排列,它们就会发出固有的偏振辐射。颗粒排列的方向是由外力决定的,例如磁场、辐射和对着尘埃颗粒的气流。在这封信中,我们将气流作用下的晶粒排列概念(称为机械排列)应用到原行星盘的情况。我们假设颗粒具有一定的螺旋度,这将导致与短轴平行的颗粒速度对周围的磁盘气体的对齐,并讨论了极化矢量的形态在原行星盘。我们发现,偏振矢量的方向取决于斯托克斯数,这表示如何以及粮食耦合到气体。如果斯托克斯数小于1,偏振的方向是在方位角方向,因为尘埃对气体的速度是在径向方向。如果斯托克斯数是一样大的统一,偏振矢量显示出领先的螺旋图案,因为径向和方位角分量的气体速度对尘埃颗粒是可比的。这表明,如果观测到的偏振矢量显示出领先的螺旋图案,这将表明尘埃颗粒的斯托克斯数大约是1,这可能是径向漂移。
2019-03-08 astro-ph.EP astro-ph.SR
Compaction during fragmentation and bouncing produces realistic dust grain porosities in protoplanetary discs
本文为3D SPH代码Phantom开发孔隙率演化模块,研究原行星盘中孔隙率对尘埃演化的影响,发现碎片化过程中的压实作用使毫米级颗粒致密程度提高10到100倍,填充因子约0.1,与观测值匹配。
2024-06-21 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Solving grain size inconsistency between ALMA polarization and VLA continuum in the Ophiuchus IRS 48 protoplanetary disk
蛇夫座IRS 48周围的原行星盘在(亚)毫米观测中显示出方位角不对称的尘埃分布,这被解释为一个漩涡,毫米/厘米大小的粒子被困在连续峰的位置。在本文中,我们提出了860 $μ$米ALMA观测偏振尘埃排放的磁盘。偏振发射被检测到朝向盘的一部分。极化矢量平行于圆盘短轴,并且极化分数被推导为$1-2$ \%。这些特征与亚毫米波发射的自散射模型一致,该模型表明最大晶粒尺寸为$\sim100$ $μ$ m。然而,这与先前对毫米/厘米尘埃颗粒被漩涡捕获的解释不一致。为了解释这两个,ALMA偏振和以前的ALMA和VLA观测,我们建议,在860 $μ$米波长的热发射是光学厚($τ_{\rm abs}\sim7.3$)在尘埃陷阱的最大可观察到的颗粒尺寸为$\sim100$ $μ$米,而不是光学薄的情况下,$\sim$厘米尘埃颗粒。我们注意到,如果860 $μ$ m的热辐射是光学厚度,我们不能排除较大的尘埃颗粒在中平面附近积累。
2020-07-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Photoevaporation of Grain-Depleted Protoplanetary Disks around Intermediate-Mass Stars: Investigating Possibility of Gas-Rich Debris Disks as Protoplanetary Remnants
碎片盘通常被认为是没有气体的系统,但最近的(亚)毫米观测发现了数十个富含气体的系统。气体成分的来源仍然不清楚,也就是说,它可能是原行星遗迹和/或来自大型天体的次级产物。为了成为原行星的起源,母体原行星盘的气体成分需要在$\gtrsim10{\,\rm Myr}$中存活下来。然而,以前的模型预测$\lesssim 10{\,\rm Myr}$的寿命,因为有效的光蒸发在后期阶段的磁盘演变。在本研究中,我们调查光蒸发的气体丰富,光学薄磁盘周围的中等质量的恒星在后期阶段的磁盘演变。演化的系统被建模为那些辐射力足够强,不断吹出小颗粒($\lesssim 4 {\,\rm μm}$),这是一个重要的组成部分,通过恒星远紫外线(FUV)诱导的光电加热驱动光蒸发。我们发现,晶粒耗尽减少光电加热,使FUV光蒸发不被激发。极紫外(EUV)光蒸发是主要的,并且产生$2$ - $5\times10^{-10}(Φ_{\rm EUV}/10^{41}{\,\rm s}^{-1})^{1/2}\,M_\odot\,{\rm yr}^{-1}$的质量损失率,其中$Φ_{\rm EUV}$是EUV发射率。气体成分的估计寿命是$\sim 50 (M_{\rm disk}/10^{-2}\,M_\odot)(Φ_{\rm EUV}/10^{41}\,{\rm s}^{-1})^{1/2}\,{\rm Myr}$,取决…
2021-05-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
The effect of carbon grain destruction on the chemical structure of protoplanetary disks
与星际介质相比,地球的整体成分明显贫碳,这种现象延伸到了小行星带。要解释这个碳缺乏的问题,颗粒中的碳质成分必须在行星形成之前,在原行星盘的内部区域转化为气相。我们研究碳颗粒破坏的化学结构的磁盘上的分子丰度和分布,使用一个全面的化学反应网络计算的效果。当碳颗粒被破坏并且气体的元素丰度变得富碳时,含碳分子(例如HCN和碳链分子)的丰度在中平面附近急剧增加,而含氧分子(例如H $_2$ O和CO $_2$)被耗尽。我们将这些模型的计算结果与太阳系中的固体碳分数进行了比较。虽然我们发现了一个碳消耗梯度,但存在一些定量差异:模型显示在小行星带位置处的值较高,而在地球位置处的值较低。此外,使用得到的分子丰度分布,再加上线辐射转移计算,我们作出预测ALMA潜在的观察附近的原行星盘中的碳颗粒破坏的影响。结果表明,HCN、H $^{13}$ CN和c-C $_3$ H $_2$可能是较好的示踪剂。
2018-12-11 astro-ph.EP
The Radial Profile of Dust Grain Size in the Protoplanetary Disk of DS Tau
原行星盘中的尘埃颗粒是如何克服快速的径向漂移并从微米大小的颗粒成长为行星的,目前还没有很好的了解。关键是寻找尘埃积累和增长的证据,作为半径的函数。我们研究的径向轮廓的晶粒尺寸在DS Tau盘拟合多波段ALMA观测与自洽辐射转移模型。最适合的晶粒尺寸范围从内部圆盘的厘米到外部区域的30微米。这种由内而外的减少趋势与尘埃演化理论相一致。基于最佳拟合模型,我们发现2木星质量的尘埃已经耗尽的差距。考虑到气体与尘埃的质量比,损失的质量足以形成文献流体动力学模拟推断的3.5木星质量的行星。此外,我们的模拟还表明,在间隙和环之间的界面区域,晶粒尺寸分布显示出不连续性,其幅度依赖于辐射转移分析中采用的尘埃模型。未来需要在更高的角分辨率下进行多波长观测,以更好地约束圆盘子结构附近的晶粒尺寸及其变化。
2022-11-30 astro-ph.EP
Influence of grain growth on the thermal structure of protoplanetary discs
原行星盘的热结构是由尘埃颗粒提供的不透明性来调节的。然而,以前的作品往往考虑简化处方的尘埃不透明度在流体动力学光盘模拟,例如,通过考虑只有一个单一的颗粒大小。在目前的工作中,我们进行2D流体动力学模拟的原行星盘的不透明度是自洽计算的尘埃人口,考虑到颗粒的大小,成分和丰度。我们首先比较模拟使用单晶粒尺寸的两个不同的多晶粒尺寸分布在不同水平的湍流强度,参数化通过$α$粘度,和不同的气体表面密度。假设一个单一的尘埃尺寸会导致不准确的计算光盘的热结构,因为晶粒尺寸主导的不透明度增加与轨道半径。总的来说,两个粒度分布,一个仅限于破碎,另一个确定从一个更完整的破碎-凝聚平衡,给出了类似的结果的热结构。我们发现,这两种粒度分布给不太陡峭的不透明度梯度,导致不太陡峭的纵横比梯度,相比,只有微米级的灰尘光盘。此外,在具有颗粒尺寸分布的盘中,最内侧的向外迁移区域被移除,并且嵌入在这样的盘中的行星经历较低的迁移速率。我们还调查了水的冰线位置上的α-粘度,在1 AU的初始气体表面密度和灰尘-气体比的依赖性,并找到独立的分布使用的$r_{ice} \propto α^{0.61} Σ_{g,0}^{0.8} f_{DG}^{0.37}$。在颗粒生长、不透明度和盘热力学之间的反馈回路的加入允许对吸积盘和行星形成进行更加自洽的模拟。
2020-05-28 astro-ph.EP
The tensile strength of dust aggregates consisting of small elastic grains: Constraints on the size of condensates in protoplanetary disks
关于星子形成的共识现在面临着威胁,因为最近对尘埃聚集体力学性质的数值研究倾向于质疑亚微米大小的颗粒在原行星盘中聚集成星子的概念图。随着精确的实验室实验和广泛的计算机模拟的弹性球体之间的相互作用,包括灰尘聚集体,我们重新审视的模型由小的弹性颗粒组成的灰尘聚集体的拉伸强度。在接触力学和断裂力学的框架下,我们研究了粉尘聚集体拉伸强度的计算机模拟和实验室实验的结果。我们提供了一个新的分析公式,明确纳入了抗拉强度的体积效应,即,抗拉强度的粉尘聚集体的体积的依赖性。我们发现,我们的尘埃聚集体的拉伸强度模型很好地再现了计算机模拟和实验室实验的结果,如果采用适当的值的弹性参数在模型中使用。此外,亚微米级颗粒尘埃聚集体的模型与天文观测得出的彗星尘埃和流星体的拉伸强度是一致的。因此,我们重申了普遍认为的观点,即星子的形成始于原行星盘中凝聚的亚微米级颗粒的聚集。
2020-07-08 astro-ph.EP
Residence Times of Particles in Diffusive Protoplanetary Disk Environments II. Radial Motions and Applications to Dust Annealing
彗星和原行星盘外部区域的结晶颗粒的起源仍然是个谜。有人认为,这种颗粒是通过在原行星盘的热的内部区域中对无定形前体进行退火而形成的,在那里发现了这种转变所需的温度,然后通过一些动力学手段向外传输。在这里,我们开发了一种方法来跟踪尘埃颗粒会采取通过扩散原行星盘的路径,并检查粒子会看到超过10 $^{6}$年的时间周期在动态盘的环境的类型和范围。然后,我们结合这个模型与三个退火定律,研究如何动态演变的非晶晶粒将导致他们的物理结构调整和交付到磁盘的各个区域。研究发现,“兄弟粒子”--那些在给定的时间段内位于同一位置的粒子--通过磁盘采取广泛的独特和独立的路径到达那里。虽然高温可以持续在磁盘很长一段时间,我们发现,这些晶粒被运送到磁盘的寒冷的外部区域主要是退火的前几个$\times10^{5}$年的磁盘历史。这表明,外盘中的晶粒结晶度将在早期确定,并在盘的历史中保持不变,与最近的天文观测一致。
2011-08-24 astro-ph.EP
Radiation pressure mixing of large dust grains in protoplanetary disks
年轻恒星周围的尘埃盘是由星际尘埃形成的,这些尘埃由无定形的亚微米颗粒组成。然而,在彗星和陨石中发现的颗粒,以及在年轻恒星光谱中追踪到的颗粒,包括必须在超过1,000 K的温度下经历退火或冷凝的大晶粒,即使它们与从未经历过如此高温度的周围物质混合。这促使大规模混合理论能够将热改变的颗粒从吸积盘内部的热部分转移到外部较冷的盘区域,但所有这些假设都可能存在问题。在这里,我报告说,尘埃盘产生的红外辐射可以将大于1微米的颗粒从内部盘中发射出来,于是它们在盘上方滑行时被恒星辐射压力向外推。对于给定的颗粒尺寸和固体密度,颗粒在太冷而不能产生足够的红外辐射压力支持的半径处重新进入盘。观测到的盘的性质表明,这一过程可能在几乎所有年轻的恒星和年轻的棕矮星中都很活跃。
2009-05-14 astro-ph.EP
Gas and multi-species dust dynamics in viscous protoplanetary discs: the importance of the dust back-reaction
我们研究了一个粘性原行星盘的动力学承载人口的尘埃颗粒的大小范围。我们计算稳态的解决方案,并表明,径向运动的气体和尘埃可以偏离大幅度从一个单一尺寸的尘埃人口。虽然尘埃对气体的气动阻力比所有颗粒都与气体最佳耦合的情况下要弱,但尘埃颗粒的累积“反反应”仍然可以显著改变气体动力学。在典型的原行星盘中,与无尘(粘性)情况相比,尘埃反反应的净效应减少了气体吸积流,即使尘埃与气体的比例为$1\%$。在外部圆盘中,灰尘颗粒通常不太强烈地耦合到气体并朝向中平面沉降,灰尘反反应甚至可以驱动向外的气体流动。此外,大颗粒的径向向内漂移在内部圆盘区域中的气体运动以下被减少,而小的尘埃颗粒在整个圆盘范围内遵循气体动力学。由此产生的尘埃和气体动力学可以产生可观察的结构,如气体和尘埃腔。我们的研究结果表明,尘埃反反应可以发挥重要作用的动力学和观测外观的原行星盘,不能忽视的模型中的原行星盘的演化。
2018-11-21 astro-ph.EP
Two Different Grain Size Distributions within the Protoplanetary Disk around HD 142527 Revealed by ALMA Polarization Observation
来自原行星盘的偏振辐射的起源是不确定的。对于这种极化发射,已经提出了三种机制:磁场的晶粒排列、辐射梯度的晶粒排列和热尘埃发射的自散射。为了从观测上识别偏振机制,我们提出了ALMA偏振观测的0.87毫米的尘埃连续排放对拱盘周围HD 142527具有高空间分辨率。我们确认,在北部地区的偏振矢量是一致的自散射。此外,我们表明,在南部地区的极化矢量是一致的晶粒排列的磁场,虽然不能排除自散射。为了了解极化机制之间的差异,我们提出了一个简单的粒度偏析模型:小尘埃颗粒($\lesssim$ 100微米)占主导地位,并与磁场在南部地区,和中等大小($\sim100$微米)的晶粒在上层发射自散射极化发射在北部地区。北部区域中的中间平面附近的晶粒尺寸无法测量,因为0.87 mm处的发射是光学厚的。然而,可以推测,较大的尘埃颗粒($\gtrsim$ cm)可能会聚集在这个平面附近。这些结果与先前对星盘的分析结果一致,在该分析中,发现了来自北部地区的大颗粒积累和光学厚发射。该模型也与较小的尘埃颗粒与磁场对齐的理论一致。磁场是环形的,至少在南部地区是这样。
2018-07-27 astro-ph.EP
Effect of lift force on the aerodynamics of dust grains in the protoplanetary disk
我们新近将升力引入到原行星盘尘埃颗粒的空气动力学中。虽然许多作者已经研究了拖曳力、重力和电力对尘埃颗粒的影响,但升力从未被认为是作用在气盘中尘埃颗粒上的力。如果颗粒在流体中旋转和移动,那么升力就施加在它们身上。本文证明了尘埃颗粒由于频繁的碰撞而不断旋转,从而使升力继续作用于它们,这在一定的参数空间中是有效的,对于最小质量的太阳星云,尘埃颗粒的尺寸大于~ 1 m,与中心恒星的距离大于1 AU.此外,我们还估计了升力对颗粒运动的影响,得到了当Stokes数和升阻比都为~ 1时,升力引起的颗粒间平均相对速度与Kepler转动系中的气体速度相当的结果.这种估计是在稳态和各向同性自旋角动量的假设下进行的。我们还估计了粒子继续旋转时的平均相对速度,并得出结论,在质量最小的太阳星云中,升力对平均相对速度的影响很小。如果盘中存在颗粒集中区,由于碰撞率高,升力引起的相对速度可能在那里占主导地位。
2014-08-19 astro-ph.EP
Size and density sorting of dust grains in SPH simulations of protoplanetary discs
尘埃颗粒的大小和密度决定了它们对原行星盘中气体阻力的反应。空气动力学(尺寸x密度)分选是解释陨石颗粒特性和化学分馏的机制之一。然而,空气动力学分选的效率和它可能发生在光盘中的位置仍然是未知的。虽然已经广泛研究了圆盘中颗粒尺寸和生长的影响,但是缺少包括粉尘成分的同时分析。在这项工作中,我们提出了动态演化和增长的多组分尘埃在原行星盘使用3D,双流体(气体+尘埃)光滑粒子流体动力学(SPH)代码。我们发现,灰尘垂直沉降的特点是由两个阶段:一个密度驱动的阶段,导致灰尘的垂直化学分选和尺寸驱动的阶段,提高了较轻的材料在中平面的量。我们还看到了一个有效的径向化学分选的灰尘在大规模。我们发现,尘埃颗粒的空气动力学分类在内部光盘。从演化的早期阶段开始,盘表面的Fe/Si比变为亚太阳,但在演化的晚期阶段,在盘的外中平面也可以发现亚太阳的Fe/Si比。圆盘中的聚集体模拟了陨石的物理和化学性质,这表明空气动力学分选在确定其最终结构方面发挥了重要作用。
2017-03-30 astro-ph.EP
Ferromagnetism and particle collisions: applications to protoplanetary disks and the meteoritical record
陨石记录显示铁分配和钨同位素分配之间的矩阵和球粒。钨的丰度不足以驱动其自身的同位素分配,但如果钨与铁相关,那么铁磁相互作用颗粒可以帮助解释这两种观察结果。我们推导出一个实用的参数化粒子相互吸引的粒子磁偶极矩所造成的粒子-粒子碰撞率的增加。虽然适当的磁性参数仍然不确定,我们表明,在原行星盘的环境磁场预计将足够强,磁化铁金属轴承尘埃颗粒足以驱动大的增加,其碰撞率。这种富含铁金属的颗粒之间碰撞率的增加可能有助于保持原始铁和W同位素的不均匀性,并有助于解释为什么陨石记录显示它们在太阳星云中的分配。磁相互作用的重要性较大的晶粒的增长是平衡的破碎是不太清楚,将需要未来的实验室或数值研究。
2016-03-10 astro-ph.EP
Polarization at millimeter wavelengths caused by drifting grains in protoplanetary disks
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel(基尔大学);Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Institut für Theoretische Astrophysik(海德堡大学天文学中心理论天体物理研究所);Max-Planck-Institut für Astronomie(马克斯·普朗克天文学研究所)
本文研究原行星盘中尘埃颗粒在径向漂移和垂直剪切不稳定性(VSI)作用下的力学对齐机制,通过3D辐射流体动力学与Monte Carlo偏振辐射传输模拟,发现大颗粒的力学对齐可产生沿盘长轴的毫米波偏振,为追踪颗粒方向提供新途径。
2025-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR
Revisiting the "radial-drift barrier" of planet formation and its relevance in observed protoplanetary discs
上下文为了在原行星盘中形成米级的前星子,生长中的颗粒必须在快速径向迁移阶段与气体分离,然后才能吸积到中心恒星上,从而克服所谓的“径向漂移障碍”(通常不准确地称为“米级障碍”)。目标。预测尘埃颗粒在原行星盘中径向运动的结果,其表面密度和温度分别遵循幂律分布,指数分别为p和q。我们调查的爱泼斯坦和斯托克斯阻力制度,管理的尘埃运动。方法.我们解析积分的运动方程从扰动分析。我们将这些结果与运动方程的直接数值积分的结果进行了比较。然后,利用观测到的圆盘数据,我们预测了真实圆盘中尘埃颗粒的命运。结果当尘埃颗粒到达圆盘的内部区域时,由于压力梯度的增加而产生的加速度被气体阻力的增加所抵消。我们发现爱泼斯坦(Epstein)中的大多数谷物(分别。如果-p +q+1/2 \leq 0(分别为如果q为\leq 2/3)。大多数观测到的圆盘都满足-p +q+ 1/2 \leq 0和q \leq 2/3:它们的大部分小颗粒和大颗粒都保留在圆盘中,对它们来说,径向漂移势垒不存在。
2011-11-14 astro-ph.EP
Dust Transport and Processing in Centrifugally Driven Protoplanetary Disk Winds
有证据表明,原行星盘-包括原太阳盘-在空间尺度上含有结晶尘埃颗粒,尘埃温度低于通过非晶星际硅酸盐的热退火形成它们的阈值。我们解释这些意见的扩展,磁离心驱动的磁盘风,运输颗粒从内部磁盘-在那里他们被提升后,从磁盘表面的恒星辐射热处理-到外盘地区。对于任何半径为$r$的圆盘,都有一个最大的颗粒尺寸$a_\mathrm{max}(r)$,可以从该位置升起:尺寸为$a$ $\ll$ $a_\mathrm{max}$的颗粒被风带走,而尺寸为$a$ $\lesssim$ $a_\mathrm{max}$的颗粒在更大的半径处重新进入圆盘。很大一部分重新进入的颗粒会聚到--随后聚集在--刚好超过$r_\mathrm{max}(a)$的一个狭窄区域,$r_\mathrm{max}(a)$是$a$大小的颗粒可以被抬升的最大半径。我们发现,这个模型可以解释推断的结晶度分数在经典的金牛座T和赫比格Ae磁盘和他们的指示后,在磁盘演化的早期建立近恒常性。这也是一致的平均晶粒尺寸,结晶度和晶体组成的径向梯度报告。此外,这个模型产生的颗粒,仍然嵌入在流出的原行星盘的属性,自然解释了推断的持久性小颗粒在这些磁盘的表面层。
2019-07-11 astro-ph.EP astro-ph.SR
Impacts of dust feedback on a dust ring induced by a planet in a protoplanetary disk
当一颗行星在原行星盘中形成一个很深的缝隙时,尘埃颗粒就无法通过缝隙。因此,尘埃颗粒的密度可以增加到与外边缘处的气体密度相同的水平。在这样一个多尘的区域,来自漂移的尘埃颗粒对气体的反馈是不可忽略的。我们进行了二维两流体(气体和尘埃)的流体动力学模拟。我们发现,当尘埃颗粒的径向流动通过间隙停止时,由于尘埃反馈和尘埃颗粒的扩散,可以形成一个宽的尘埃颗粒环。在我们模拟的参数范围内,形成宽尘环的行星最小质量与卵石隔离质量一致。尘埃颗粒的宽环是形成原行星固体核的良好环境。如果环形成在类太阳恒星周围的圆盘中,位于$\sim 2\ \mbox{AU}$,环内可能会形成一个大质量的固体核心($\sim 50M_{\oplus}$),这可能与持有大质量固体核心的热彗星(如HD 149026 b)的形成有关。在这颗矮星的盘面中,$\sim 0.5\ \mbox{AU}$周围的尘埃环内可以形成许多地球大小的行星,这可能解释了由多颗地球大小的行星组成的行星系统围绕着这颗矮星,如TRAPPIST-1。
2018-11-20 astro-ph.EP
Puffed up Edges of Planet-opened Gaps in Protoplanetary Disks. I. hydrodynamic simulations
在明亮的原行星盘中,尘埃间隙和尘埃环似乎无处不在。行星与行星之间的相互作用,以及行星引起的间隙边缘的尘埃捕获,是一个合理的解释。然而,一些观测到的尘埃环的清晰度表明,在某些系统中,亚毫米大小的尘埃颗粒已经沉降到薄层上。我们通过对嵌入行星的原行星盘进行三维尘埃加气体模拟,来测试行星打开的气体间隙周围的尘埃是否可以保持稳定。我们发现行星的质量足以打开气体间隙,在间隙边缘将小的亚毫米大小的尘埃颗粒搅拌到高的圆盘高度,在那里尘埃尺度高度可以达到气体尺度高度的70%。我们把这种尘埃的“膨胀”归因于Fung & Chiang等人先前确定的行星引起的纬向气流。因此,我们强调明确的3D模拟的重要性,以获得亚毫米大小的颗粒周围的气体间隙大规模的行星打开的垂直分布。我们警告说,气体间隙开放行星的解释定义明确的尘埃环是唯一的自我一致的大颗粒超过毫米的大小。
2021-03-16 astro-ph.EP
On the Grain-Modified Magnetic Diffusivities in Protoplanetary Disks
弱电离的原行星盘(PPD)会受到非理想磁流体动力学(MHD)效应的影响,包括欧姆电阻率、霍尔效应和双极扩散(AD),由此产生的磁扩散系数($η_O, η_H$和$η_A$)在很大程度上控制着盘的气体动力学。晶粒的存在不仅大大降低了盘电离分数,而且还修改了磁场强度的$η_H$和$η_A$的标度。我们推导出解析渐近表达式的$η_H$和$η_A$在强和弱场的限制,并表明,对强场,$η_H$可以改变符号(在阈值场强$B_{\rm th}$),模仿场极性的翻转,和AD大幅减少。应用到PPD,我们发现,当小$\sim0.1$($0.01$)$μ$ m晶粒是足够丰富的[质量比$\sim0.01$($10^{-4}$)],$η_H$可以改变符号到$\sim2-3$标度高度以上的中平面在中等场强(等离子体$β\sim100$)在很宽的磁盘半径范围。AD的减少对AD为主的外盘也很大,并可能激活磁旋转不稳定性。我们进一步进行本地非理想的磁流体模拟的内盘(在10 AU),并表明,有足够丰富的小晶粒,磁场放大由于霍尔剪切不稳定性饱和在非常低的水平附近的阈值场强$B_{\rm th}$。结合以前的研究,我们最后讨论的PPD气体动力学的颗粒丰度依赖的现象。
2015-11-23 astro-ph.EP
Effects of Chemistry on Vertical Dust Motion in Early Protoplanetary Disks
我们提出了一个新的现象影响尘埃颗粒在早期原行星盘的陆地区域的沉降的可能性。沉降尘埃颗粒在盘演化的早期在热的内部区域蒸发,凝结和蒸发对垂直沉降的影响是显著的。本文提出了一个考虑物理和化学因素的一维降尘模型。模拟结果表明,尘埃颗粒在下降到较热的内部时蒸发,形成“凝结锋”,在凝结锋上方,尘埃的主要成分Mg、Si和Fe积累,形成大的温度梯度。在前面反复蒸发抑制晶粒生长,和小晶粒尺寸提高不透明度远离中平面。包括辐射传热和冷凝理论在内的自洽计算表明,中间盘的温度可能足够高,硅酸盐保持蒸发的时间比以前的估计要长。凝结锋的形成导致高度难熔元素(如Al和Ca)和中等难熔元素(如Mg、Si和Fe)之间的对比沉降行为,表明星子中的元素丰度可能不是挥发性的简单函数。
2017-08-24 astro-ph.EP
Badminton Birdie-Like Aerodynamic Alignment of Drifting Dust Grains by Subsonic Gaseous Flows in Protoplanetary Disks
本研究针对原行星盘大尘埃颗粒的环向对齐机制难题,提出类似羽毛球的质心偏移气动对齐假说,推导亚音速下椭球颗粒解析运动方程,验证长/扁椭球均可对齐,且对齐时标适配轨道周期,对齐方向与盘结构及斯托克斯数相关。
2025-10-01 astro-ph.EP
3D Lagrangian turbulent diffusion of dust grains in a protoplanetary disk: method and first applications
为了了解气态湍流原行星盘中尘埃颗粒的化学和同位素组成在其在盘中的旅程中是如何改变的,确定它们各自的轨迹是很重要的。在这里,我们研究的尘埃扩散运输拉格朗日数值模拟使用流行的“湍流扩散”的形式主义。然而,它自然地以欧拉形式表示,这不允许研究单个粒子的轨迹。我们提出了一个简单的随机和物理上合理的模拟湍流扩散的拉格朗日形式,克服了这些困难的过程。结果表明,尘埃的净扩散通量F与气体密度(ρ)梯度和尘埃扩散系数Dd成正比:(F=Dd/ρ \timesgrad(ρ))。它导致尘埃在盘的中平面向内输送,同时有利于盘的上层向外输送。我们目前的测试和应用程序比较灰尘扩散的中面和上层,以及样本轨迹的颗粒具有不同的大小。我们还讨论了宇宙化学和SPH代码的潜在应用。
2011-05-17 astro-ph.EP
Co-evolution of dust grains and protoplanetary disks
本研究通过尘埃-气体双流体非理想MHD模拟提出尘埃颗粒与原行星盘共同演化机制,并解析推导出仅依赖可观测物理量的特征幂律盘结构。
2023-06-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
Coagulation-Fragmentation Equilibrium for Charged Dust: Abundance of Submicron Grains Increases Dramatically in Protoplanetary Disks
本文通过数值求解 Smoluchowski 凝聚-碎裂方程,研究原行星盘内盘区域中静电排斥与碎裂对尘埃演化的联合效应,发现碎裂能有效补充静电势垒下的小颗粒,使亚微米颗粒平衡丰度比中性尘埃提高数个数量级。
2023-06-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Mineralization, Grain Growth and Disk Structure: Observations of the Evolution of Dust in Protoplanetary Disk
在过去五年中,斯皮策空间望远镜和改进的地面设施使得围绕太阳质量或更小的年轻恒星的星周盘的数量大量增加,其中固体成分的组成已被完整的中红外光谱研究。有了这些样本,我们可以通过观测评估尘埃在行星形成时期的演变,同时评估原行星盘的成分和结构的演变。在这里,我们将回顾这一努力的进展,重点是在附近的协会和恒星形成区的对象,并在尘埃成分的方法,确定从年轻的恒星天体的红外光谱。
2009-02-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Protoplanetary Disk Structure With Grain Evolution: the ANDES Model
本文提出了一个自洽的原行星盘模型:“带有尘埃演化和沉积的吸积盘”(ANDES)。ANDES基于灵活和可扩展的模块化结构,包括1)1+1D频率相关连续辐射转移模块,2)使用具有UV/X射线驱动过程表面反应的扩展气体颗粒网络计算化学演化的模块,3)计算气体热能平衡的模块,以及4)模拟尘埃颗粒演化的1+1D模块。首次在原行星盘模型中考虑了颗粒演化和随时间变化的分子化学。我们发现,晶粒生长和沉积的大颗粒的磁盘中平面导致一个尘埃贫化的气氛。因此,尘埃和气体的温度变得更高的内部磁盘(R < 50 AU)和较低的外部磁盘(R > 50 AU),与盘模型与原始尘埃。尘埃盘化学结构对尘埃生长和沉降的响应是双重的。首先,由于更高的透明度,部分UV屏蔽的分子层被移动到更靠近致密的中平面。第二,在磁盘中平面的大晶粒的存在下,延迟了挥发性的气相物种,如CO的冻结,而在相邻的上层的耗尽仍然是有效的。在尘埃演化的圆盘模型中,许多物种的分子浓度和柱密度都得到了增强,例如,CO2,NH 2CN,HNO,H2O,HCOOH,HCN,CO。我们还表明,时间依赖性化学是重要的气体热平衡的正确描述。
2013-02-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
Multi-wavelength observations of protoplanetary discs as a proxy for the gas disc mass
最近对原行星盘的观测揭示了可能由嵌入行星引起的盘的子结构。我们研究如何在光盘的气体表面密度改变所观察到的形态散射光和尘埃连续发射。假设光盘子结构是由于嵌入式原行星,我们结合流体动力学模型与辐射转移模拟尘埃原行星盘托管行星。不同种类的尘埃对行星引起的引力扰动的反应取决于阻力停止时间--一个通常未知的局部气体密度的函数。附着在气体上的小尘埃颗粒呈螺旋状。较大的晶粒去耦,表现出越来越多的轴对称(环状)子结构去耦增加晶粒尺寸或与反转的气体盘质量。我们发现,同时建模的散射光和尘埃连续发射是能够约束的斯托克斯数,${\rm St}$。因此,如果粉尘性质已知,则这约束了结构位置处的局部气体表面密度$Σ_{\rm gas}$,从而约束了总气体质量。特别是,我们发现,在毫米发射晶粒观察环状结构需要${\rm St} \gtrsim 0.4$,因此$Σ_{\rm gas} \lesssim 0.4\,\textrm{g/cm}^{2}$。我们应用这个想法,观察到的原行星盘显示在散射光和尘埃连续体的子结构。
2019-08-23 astro-ph.EP
Size-dependent charging of dust particles in protoplanetary disks Can turbulence cause charge separation and lightning?
本文利用 ProDiMo 二维热化学模型研究原行星盘中不同尺寸尘埃颗粒的带电行为与电荷平衡,识别出中平面低层温暖区域最可能产生闪电,但湍流诱导电场远低于临界电场,表明该机制难以引发闪电。
2023-08-08 astro-ph.EP
Self-scattering in protoplanetary disks with dust settling
再发射通量的散射被认为至少部分地导致了在几个原行星盘的(亚)毫米波长范围内观测到的偏振。虽然散射产生的偏振程度高度依赖于尘埃模型,但早期研究这种机制依赖于尘埃的单一粒度和简单密度分布的假设。然而,在这种机制通常最有效的密集内部区域,已经证实存在尺寸从纳米到毫米的尘埃颗粒。此外,气体的存在迫使较大的晶粒垂直地朝向盘中平面迁移,从而在垂直方向上引入粉尘分离。使用偏振辐射转移模拟,我们分析了在350 $μ$米,850 $μ$米,1.3毫米和2毫米的散射光偏振的依赖性描述原行星盘的各种参数,包括尘埃颗粒沉降的影响。我们发现,不同的磁盘参数改变的偏振度主要是通过影响辐射场的各向异性,光学深度,或两者兼而有之。因此,仅从偏振测量直接推导出某些盘参数值是非常具有挑战性的。然而,假设一个高的尘埃粒子,它是可能的跟踪从光学厚光学薄盘区域的过渡。在大多数被认为是磁盘配置的极化程度低于观察发现,这意味着有必要重新审视模型,描述的尘埃属性和磁盘结构。
2020-07-11 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Grain charging in protoplanetary discs
最近的工作确定了尘埃凝结的生长障碍,起源于碰撞粒子之间的电排斥。根据其电荷状态,尘埃材料可能具有控制行星形成的关键过程的潜力,例如在双向过程中耦合的MHD(磁流体动力学)湍流和晶粒生长。我们量化的颗粒充电在不同阶段的光盘演化和区分两个非常极端的情况下:紧凑的球形颗粒和聚集体的分形维数D_f = 2。应用一个简单的化学网络,占碰撞充电的谷物,我们提供了一个半解析解。这使我们能够有效地计算颗粒电荷和电离分数的平衡人口。从静态到非静止盘配置的不同动态环境的颗粒充电进行了评估。结果表明,中性气相重金属(如镁)的吸附/脱附影响颗粒的荷电状态。金属和主要分子离子的热速度之间的差异越大,平均颗粒电荷的变化就越大。平均而言,团聚体比相同质量的致密球形颗粒具有更多的负过剩电荷。平均颗粒电荷的增加与离子尘埃极限中的N**(1/6)成正比。我们发现,在一个非静止的磁盘环境中的颗粒充电预计将导致类似的结果。结果表明,在尘埃生长受到所谓的“静电势垒”限制的区域中,尘埃生长和沉降不会阻止尘埃材料保持占主导地位的载流子。
2011-12-12 astro-ph.EP
Dust grain growth in rho-Ophiuchi protoplanetary disks
我们提出了新的ATCA观测在3.3毫米的27个年轻的恒星天体的rho-Oph年轻的集群。其中25个来源已被发现。我们分析了17个孤立的II类原行星盘的子样本的亚毫米和毫米SED,并推导出磁盘外部区域的晶粒生长和总尘埃质量的约束。在我们的样本中的所有磁盘显示毫米的SED的斜率,这是显着浅于在这些长波长的ISM观察到的。这表明:1)蛇夫座中的II类圆盘在其外部区域生长到mm/cm大小的颗粒,2)形成mm/cm大小的卵石是一个快速的过程,3)需要一种机制来解释这些数据。这些发现与之前在其他恒星形成区的结果一致。我们比较了这个样品的灰尘性质与金牛座御夫座的一个统一选择的样品,并没有发现任何统计证据的两个地区之间的晶粒生长方面的差异。最后,在我们的样品中,没有发现SED的mm斜率与内盘表面层中晶粒生长至微米尺寸的指标相关。
2010-08-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
The Role of Tiny Grains on the Accretion Process in Protoplanetary Disks
像多环芳烃这样的微小颗粒被认为可以显著降低弱电离气体(如原行星盘(PPD))中气体和磁场之间的耦合,因为它们提供了巨大的表面积来重组自由电子。因此,PPD中微小颗粒的存在提出了一个问题,即磁旋转不稳定性(MRI)是否能够驱动快速吸积,以与观测结果一致。带电微粒具有与离子类似的导电性质,其存在导致电导率张量的定性新行为,其特征为n_bar/n_e>1,其中n_e和n_bar分别表示自由电子和所有其他带电粒子的数密度。特别是,当n_bar/n_e超过10^3时,欧姆电导率由带电颗粒而不是电子主导,并且霍尔和双极扩散(AD)系数在AD主导区域中相对于欧姆区域减小了(n_bar/n_e)^2倍。应用Bai(2011)的方法,我们发现在PPD中,当多环芳烃足够丰富(> 1 e-9/H_2)时,存在一个约10-20 AU的过渡半径r_transs,超过该半径,MRI活性层延伸到盘中平面。当r<r_transs时,乐观预测的磁共振驱动吸积率M_dot比无颗粒情况下的小1 ~ 2个数量级,与观测值相比,这一数值太小,但一般不小于太阳丰度为0.1 μ m颗粒时的预测值。当r>r_transs时,由于带电微粒对AD的净减少,预测的M_dot值明显超过无微粒情况,达到1 e-8M_Sun/yr的数倍。这足以解释在过渡盘中观察到的M_dot。较大的颗粒(>0.1微米)质量太大,无法达到像微小颗粒那样的高丰…
2011-07-14 astro-ph.EP
The first ALMA survey of protoplanetary discs at 3 mm: demographics of grain growth in the Lupus region
我们提出了第一个ALMA调查的原行星盘在3毫米,目标是36个年轻的恒星天体在狼疮恒星形成区的深度观测(灵敏度20 - 50微焦/梁)在~0.35 "的分辨率(~50 au)。建立在以前的ALMA调查在0.89和1.3毫米,观察了完整的样本II类光盘在狼疮在一个相当的分辨率,我们的目标是评估在相对年轻的狼疮地区的晶粒生长水平。我们测量3毫米的综合通量,从中我们得出磁盘平均1 - 3毫米的光谱指数。我们发现,所观察到的狼疮光盘的平均光谱指数是$α_\mathrm{1-3 mm}=2.23\pm0.06$,在所有情况下$α_\mathrm{1-3 mm}<3.0$,具有较大的光谱指数在最亮的光盘和过渡光盘的趋势。此外,我们发现,在狼疮光盘的光谱指数的分布是统计上无法区分的金牛座和蛇夫座恒星形成的地区。假设发射是光学薄,低值$α_\mathrm{1-3 mm}\leq 2.5$测量的大多数光盘可以解释与存在的颗粒大于1毫米。在样品中的微弱光盘的观察可以解释不调用大颗粒的存在下,即通过混合物的光学薄和光学厚的小颗粒的发射。然而,明亮的(通常是大的)光盘确实不可避免地需要毫米级颗粒的存在,以便具有真实的质量。基于光盘质量的论点,我们的研究结果挑战以前的说法,光学厚的子结构的存在可能是一个普遍的解释经验毫米级的大小,在0.89毫米的光度相关性。
2021-06-23 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
On the Evolution of Dust Mineralogy, From Protoplanetary Disks to Planetary Systems
对原行星盘和太阳系天体中尘埃颗粒散发出的硅酸盐特征进行矿物学研究,可以揭示行星形成的过程。彗星、陨石和行星际尘埃颗粒中的晶体物质的重要部分表明,几乎完全无定形的ISM尘埃是由它们形成的。因此,结晶硅酸盐的产生一定发生在原行星盘中,尘埃在那里演化形成行星和星子。人们提出了不同的设想,但仍不清楚这种情况如何以及何时发生。本文介绍了年轻巨蛇座星系团完整的原行星盘样品的尘埃颗粒矿物学。这些结果进行了比较,在年轻的金牛座地区和来源,保留了他们的原行星盘在较老的上天蝎座和Eta Chamaeleontis星团,使用相同的分析技术的所有样本。这种比较允许调查的颗粒矿物学演化与时间的总样本的139个磁盘。平均年龄和磁盘的分数被用来作为指标的不同群体的进化阶段。我们的研究结果表明,在不同地区的磁盘有相似的平均晶粒尺寸和结晶度分数(~10 - 20%)的分布,尽管在平均年龄的蔓延。此外,没有证据表明任何给定的磁盘几何形状的优先晶粒尺寸,也没有平均集群结晶度分数增加的平均年龄在1 - 8百万年的范围内。主要的含义是,在早期(<100万年),在盘表面建立了适度水平的结晶度,达到了一个平衡,这与盘中平面可能发生的事情无关。这些结果在行星形成的背景下进行了讨论,并与我们太阳系中小天体的矿物学结果进行了比较。[摘要]
2011-04-18 astro-ph.EP
Adsorption of volatiles on dust grains in protoplanetary disks
Peking University(北京大学);Zhejiang University(浙江大学)
研究通过计算不同表面的吸附能,揭示了原行星盘中挥发物吸附机制的差异,为理解尘埃凝聚和行星形成提供了新视角。
2026-03-04 astro-ph.EP