Observability of the Vertical Shear Instability in protoplanetary disk CO kinematics
上下文原行星盘中气体的动力学和湍流运动对它们的演化至关重要，并影响行星形成。最近的观测表明，在圆盘的外部区域有微弱的湍流。然而，在这些外部区域的湍流的物理机制仍然不确定。垂直剪切不稳定性（VSI）是一种很有前途的产生湍流的机制。目标。我们的目的是研究气体速度结构的可观测性VSI通过CO运动学与ALMA。方法.我们进行全球三维流体动力学模拟的VSI不稳定盘。我们用辐射转移计算对模拟结果进行了后处理，并对CO转动发射谱线进行了综合预测。接下来，我们计算视线速度图，以及它与子开普勒平衡解的偏差。我们探索的可检测性的VSI通过识别运动学签名，使用现实的模拟观测。结果我们对VSI的3D模拟非常详细地显示了气体的稳态动力学。从速度结构我们推断出湍流应力值为$α_{rϕ}=1.4 \times 10^{-4}$。在大尺度上，我们观察到的速度偏差为50米秒$^{-1}$轴对称环。我们找到了最佳条件在$i \lesssim 20^{\circ}$跟踪的VSI的运动学结构。我们发现，目前的诊断约束气体湍流的非热加宽的线发射不适用于各向异性VSI湍流。结论.利用ALMA可以检测VSI产生的运动学特征。观测包括一个扩展的天线配置与最高的光谱分辨率相结合，需要强大的检测。大规模的速度扰动的表征是必要的，以约束气体观测的VSI产生的湍流水平。
2021-06-02 astro-ph.EP
Vortex Formation and Survival in Protoplanetary Disks subject to Vertical Shear Instability
ALMA观测到的几个原行星盘显示尘埃浓度与巨大漩涡中的粒子捕获一致。涡旋的形成和生存对于行星形成是非常重要的，因为涡旋起到了粒子陷阱的作用，因此是星子形成的首选位置。最近的研究表明，垂直剪切不稳定性（VSI）能够在原行星盘中产生湍流和小涡旋，这些原行星盘具有适当的径向和垂直分层，并且在足够短的时间尺度上具有热弛豫。但由于盘的方位角仅限于$Δϕ\leq π/2$，盘的方位角延伸的影响往往被忽略。我们的目标是研究盘的方位角范围对原行星盘长期演化的影响以及大涡旋形成的可能性。为此，我们进行3维模拟高达1000个本地轨道使用不同的值$Δϕ= π/2 $到$2π$ VSI在磁盘上具有规定的径向密度和温度梯度冷却短的时间尺度。我们发现VSI能够形成大的漩涡，可以存在至少几百个轨道的模拟覆盖一个磁盘与$Δϕ\geq π$。这表明VSI能够形成涡流或至少通过二次不稳定性（例如Rossby波不稳定性或Kelvin Helmholtz不稳定性）触发涡流形成。
2018-07-17 astro-ph.EP
The vertical shear instability in poorly ionised, magnetized protoplanetary discs
原行星盘在其自转剖面中应表现出弱的垂直变化。通常这种“垂直切变”是由中心恒星辐射场驱动的斜压效应引起的，但也可能在磁离心风的发射过程中出现。因此，原行星盘会受到流体动力学不稳定性的影响，即“垂直剪切不稳定性”（VSI），其分解为湍流可能会传输适量的角动量，并促进或干扰行星形成的过程。然而，磁场可以直接通过磁张力或间接通过磁旋转湍流来抑制VSI。另一方面，原行星盘的电离率极低，如果非理想效应足够显著，可能会拯救VSI。在本文中，我们开发了一个本地的线性理论，探讨如何非理想的MHD影响的VSI，同时还推出额外的扩散剪切不稳定性。我们推导出一套分析标准，建立时的VSI盛行，然后展示它如何可以应用到一个现实的全球模型的原行星盘。我们的计算表明，在~ 10天文单位内，VSI在盘的主体中出现应该没有什么麻烦，但在盘的上部区域，它的出现敏感地取决于占优势的尘埃颗粒的大小。
2022-01-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
Vortex formation in protoplanetary discs induced by the vertical shear instability
我们提出了理想化的原行星盘的二维和三维流体动力学模拟的结果，检查涡的形成和演变的垂直剪切不稳定性（VSI）。在最近的工作，我们发现，光盘径向下降的温度分布和短的热弛豫时间尺度，受到轴对称VSI。在三维空间中，由此产生的速度扰动引起准轴对称位涡扰动，这种扰动以一种让人想起Rossby波不稳定性的方式分裂成离散涡。具有非常短的热演化时间尺度（即τ<0.1的局部轨道周期）的盘发展出强烈的涡度扰动，这些涡度扰动卷起成具有小纵横比（χ<2）和短寿命（~几个轨道）的涡。更长的热时间尺度产生具有更大纵横比（6<x <10）的涡旋，以及取决于熵梯度的寿命。急剧下降的熵分布导致涡旋寿命超过数百个轨道周期的模拟运行时间。涡的寿命在光盘与积极或弱减熵剖面短得多，是10秒的轨道在最多，这表明亚临界斜压不稳定性起着重要的作用，在维持涡对破坏通过椭圆形不稳定。应用到原行星盘的外部区域，其中VSI是最有可能发生的，我们的研究结果表明，涡形成的VSI可能是短暂的结构。
2016-01-08 astro-ph.EP
Two saturated states of the vertical shear instability in protoplanetary disks with vertically varying cooling times
原行星盘中的湍流在尘埃演化和星子形成中起着重要作用。垂直剪切不稳定性（VSI）是一种能够在盘外区域产生湍流的流体动力学机制。VSI除了垂直剪切之外还需要快速气体冷却。线性稳定性分析表明，VSI可能不会在气体冷却效率低下的中板周围工作。在这项研究中，我们调查的非线性结果的VSI在磁盘与线性VSI稳定的中平面区域。我们进行二维的全球流体动力学模拟的轴对称磁盘与垂直变化的冷却时间。垂直冷却时间曲线确定线性VSI稳定的中平面层和中平面上方和下方的不稳定层的厚度。我们发现，在非线性饱和状态下，中平面稳定层的厚度决定了VSI驱动湍流的垂直结构。我们确定了两种类型的最终饱和状态：（1）T状态，其特征在于垂直湍流运动渗透到VSI稳定的中面层和（2）pT状态，其特征在于湍流运动局限在不稳定层。当中平面VSI稳定层厚于两个气体刻度高度时，实现pT状态。我们还发现，当位于中平面上方和下方的VSI不稳定区域薄于两个气体尺度高度时，在所有高度处，VSI驱动的湍流都在很大程度上被抑制。我们提出的经验公式，预测VSI驱动的湍流的强度作为不稳定和稳定层的厚度的函数。这些公式将有助于研究如何VSI驱动的湍流和尘埃颗粒控制磁盘冷却效率同时演变。
2022-12-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
On the Vertical Shear Instability in Magnetized Protoplanetary Disks
垂直剪切不稳定性是辐照后原行星盘中的一种强烈现象。虽然有大量的文献在流体动力学极限的VSI，PPD预计被磁化，其极低的电离分数意味着，非理想的磁流体动力学（MHD）的影响，应适当考虑。为此，我们提出了线性分析的VSI磁化磁盘欧姆电阻率。我们主要考虑环形磁场，这是可能占主导地位的领域的几何形状在PPD。我们进行垂直全球和径向局部分析，以捕捉扩展的垂直结构的特征VSI模式。为了研究磁性的影响，我们使用了局部等温状态方程。我们发现，磁性提供了一个稳定的效果，以抑制VSI，表面模式，而不是身体模式，是第一个消失的磁化强度增加。减弱的VSI模式可以恢复欧姆电阻率，其中足够的磁扩散克服磁稳定，并恢复流体动力学结果。我们还简要地考虑极向场占磁旋转不稳定性（MRI），这可能会发展对表面层的PPD的外部。与VSI相反，MRI在小径向波数下有效地生长。当考虑电阻率时，我们发现VSI在等离子体β参数$β_Z \sim 10^4$下对欧姆Elsässer数$\lesssim 0.09$占主导地位。
2021-05-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
Hydrodynamic turbulence in disks with embedded planets
垂直剪切不稳定性（VSI）是一种流体动力学湍流的来源，可以驱动原行星盘中剧烈的垂直混合和中等水平的吸积，并且在不久的将来可以观察到。利用高分辨率三维流体动力学数值模拟，我们模拟了有和没有嵌入行星的原行星盘中VSI的行为。然后，我们测量其吸积和混合能力，通过比较完整的雷诺应力，其中包括非轴对称的功能，如螺旋臂和涡流的贡献，雷诺应力由于方位平均速度场，这可以归因于良好的近似VSI。我们验证了VSI可以有助于吸积应力，并表明，根据磁盘条件，嵌入式行星可以共存或抑制VSI湍流应力。具体来说，行星或行星产生的涡旋所产生的螺旋激波会干扰行星附近的VSI，而不稳定性会在距离行星或涡旋足够远的地方恢复。我们的研究结果表明，VSI签名的意见是不太可能在磁盘包含大量的，非轴对称的功能。
2022-12-20 astro-ph.EP
Effects of Dust Evolution on the Vertical Shear Instability in the Outer Regions of Protoplanetary Disks
垂直切变不稳定性（VSI）是一种需要快速气体冷却的流体动力学不稳定性，并已被建议在原行星盘的外部区域运行。VSI驱动具有强烈垂直运动的湍流，这可以调节灰尘的生长和沉降。然而，灰尘的生长和沉降可以调节VSI，因为灰尘耗尽使得外部盘区域中的气体冷却效率低下，这些外部盘区域相对于其自身的热发射而言光学上较薄。在这项研究中，我们量化了这种潜在的稳定作用的灰尘演变的VSI的线性分析的基础上。我们构建了一个模型来计算冷却时间尺度，同时考虑到超过微米尺寸和尺寸依赖性沉降的灰尘生长。结合线性稳定性分析的模型，我们映射的区域VSI的操作，我们称之为VSI区，并估计在每个径向位置的最大增长率。我们发现，灰尘的增长，以及解决使VSI区更局限于周围的中平面。这导致增长率下降，因为旋转速度的垂直切变是不稳定性的来源，在较低的高度较弱。在我们默认的0.01太阳质量的圆盘模型中，从10微米到1毫米的尘埃增长会导致增长率下降10倍以上。抑制的VSI驱动的湍流尘埃演化可能会促进进一步的尘埃演化的外部区域，也解释了高度的尘埃沉降观察到的磁盘周围HL头。
2021-05-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
Hydrodynamical simulations of the vertical shear instability with dynamic dust and cooling rates in protoplanetary disks
本研究通过原行星盘二维流体动力学模拟，探究垂直剪切不稳定性（VSI）与动态尘埃、冷却率的相互作用，发现三者可形成平衡厚尘埃层，平衡态依赖尘埃尺寸与尘气比，为原行星盘尘埃演化与星子形成研究提供新依据。
2025-07-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
The Sandwich Mode for Vertical Shear Instability in Protoplanetary Disks
湍流对原行星盘（PPD）中气体和尘埃的演化有着深刻的影响，从驱动尘埃颗粒的碰撞和扩散，到卵石在巨涡中的聚集，从而促进星子的形成。垂直剪切不稳定性（VSI）是一种流体动力学机制，如果局部热弛豫速率足够高，则在PPD中起作用。然而，以往的VSI研究依赖于恒定冷却速率的假设，或者忽略了气体粒子和尘埃颗粒之间有限的耦合时间。在这里，我们提出的流体动力学模拟的PPD与PLUTO代码，其中包括一个更现实的热弛豫处方，这使我们能够研究的VSI在光学厚和光学薄的部分考虑热尘埃-气体耦合的磁盘的结果。我们表明，即使在我们的二维和三维模拟的PPD的光学厚的内部区域的VSI引起湍流。高层大气中尘埃和气体粒子的碰撞解耦以及相应的低效率的热弛豫速率导致VSI湍流的阻尼。在我们的三维模拟中形成了长寿命的反气旋涡旋。这些结构出现在VSI活跃层中的湍流，持续数百个轨道，并在湍流区域的整个范围内垂直延伸。我们得出的结论是，VSI会导致湍流并在距离磁盘中平面的$\pm$ 3压力刻度高度内形成长期尘埃陷阱
2021-07-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Vertical Shear Instability with Partially Reflecting Boundary Conditions
本研究拓展了垂直剪切不稳定性（VSI）的边界条件研究，通过数值分析发现部分反射边界条件下高阶体模、非轴对称模式的增长率会受出射波分量及方位角波数影响，且上下表面边界差异会引发非对称模式，为原行星盘行星演化研究提供参考。
2024-09-12 astro-ph.EP
A self-consistent model for dust settling and the vertical shear instability in protoplanetary disks
本文提出一个半解析模型自洽地确定原行星盘中垂直尘埃分布与VSI驱动湍流强度，发现小颗粒存在稳定平衡分布，而大颗粒会导致失控沉降，解释了高度沉降的尘埃环。
2024-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
Vertical Shear Instability in Thermally-Stratified Protoplanetary Disks: I. A Linear Stability Analysis
本研究针对热分层原行星盘的垂直剪切不稳定性开展线性稳定性分析，揭示了表面模与体模的分岔特性、生长规律及热分层的增强作用，为理解原行星盘湍流演化提供了理论依据。
2024-12-13 astro-ph.EP
Just a Phase? Weakening Vertical Shear Instability Explains Class II Disk Morphologies: Simulations with dust coagulation, sedimentation, thermal relaxation, and backreaction
Flatiron Institute（平顿研究所）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Stony Brook University（石溪大学）
模拟表明，考虑尘埃凝聚、沉降和热适应后，VSI减弱，可解释Class II盘的薄盘形态，且VSI可能仅限于Class I阶段。
2026-10-07 astro-ph.EP
Razor-thin dust layers in protoplanetary disks: Limits on the vertical shear instability
内容：阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）最近的观测表明，在毫米波波长下观测到的大型尘埃聚集体沉降到中平面，形成非常薄的一层。目的：我们打算找出如果这些层的几何薄的证据对垂直剪切不稳定性（VSI）在这些磁盘中操作。方法：采用局部等温状态方程对原行星盘进行流体动力学模拟，使VSI充分发展。我们撒上灰尘颗粒，并跟踪它们的运动，因为它们被VSI搅动。我们确定的晶粒尺寸的层变得足够薄的几何与ALMA观察一致。然后，我们验证了，如果有这些晶粒尺寸，它仍然有可能在毫米波长下产生一个中等光学厚度的层，正如观察似乎表明的那样。结果如下：我们发现，即使是非常大的尘埃聚集体的斯托克斯数接近1得到搅拌以上的中平面相对较大的高度的VSI，这是在观察到的几何薄冲突。对于斯托克斯数超过1的大颗粒，可以使该层保持薄，但我们表明，很难使尘埃层在ALMA波长下光学厚（例如，τ（1.3mm）>=1）。结论：我们的结论是，原行星盘与几何薄的中面尘埃层不能VSI不稳定，至少不会下降到磁盘中面。抑制VSI的解释包括减少负责磁盘辐射冷却的小尘埃颗粒的尘埃与气体的比率。将小晶粒减少10至100倍足以使VSI淬火。这种减少在尘埃增长模型中是合理的，并且仍然与光学和红外波长的观测结果一致。
2022-10-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
The vertical shear instability in protoplanetary discs as an outwardly travelling wave. I. Linear theory
本文重新审视原行星盘中垂直剪切不稳定性的全局线性理论，聚焦其作为向外传播的行进惯性波，发展定量理论解释波的放大机制，并与原地非线性增长的小尺度扰动对比。
2025-01-23 astro-ph.EP astro-ph.SR
Vertical Shear Instability in Thermally-Stratified Protoplanetary Disks: II. Hydrodynamic Simulations and Observability
本研究通过三维流体动力学模拟发现，热分层原行星盘中的垂直剪切不稳定性（VSI）湍流强度远高于等温盘，其产生的速度残差扰动形态和可观测性随盘倾角、热分层程度及示踪剂光学深度变化。
2024-12-13 astro-ph.EP
Vertical shear instability in two-moment radiation-hydrodynamical simulations of irradiated protoplanetary disks II. Secondary instabilities and stability regions
本文研究了受辐射原行星盘轴对称辐射流体模拟中寄生在垂直剪切不稳定性（VSI）上的次级不稳定性，发现斜压扭矩与VSI模式相互作用触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性等机制导致VSI饱和，并构建稳定图表明盘表面层可存在VSI不稳定。
2023-12-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
Hydrodynamical simulations of protoplanetary disks including irradiation of stellar photons. I. Resolution study for Vertical Shear Instability (VSI)
近年来，流体动力学（HD）模型已成为描述原行星盘中气体运动学的重要模型，特别是与光蒸发和/或磁驱动风模型相结合。我们专注于诊断垂直范围的VSI在203细胞每刻度高度和暗示在什么分辨率每刻度高度，我们获得收敛。最后，我们确定的区域，EUV，FUV和X射线是占主导地位的磁盘。我们使用PLUTO代码进行全球HD模拟。我们采用了一个全球等温吸积盘装置，2.5维（2维，3个组件），其中包括一个径向域从0.5到5.0和一个近似完整的径向扩展。我们将每个刻度高度50个单元确定为解决VSI的下限。对于更高的分辨率，大于50个细胞每刻度高度，我们观察到的动能的饱和水平的收敛。我们还能够识别“主体”模式的增长，具有更高的增长率以获得更高的分辨率。在70个局部轨道之后达到完全能量饱和和湍流稳定状态。我们确定的EUV加热区域的位置定义的径向柱密度为10 $^{19}$ cm $^{-2}$位于$H_\mathrm{R}\sim9.7$，和FUV/X射线加热的边界层定义的10 $^{22}$ cm $^{-2}$位于$H_\mathrm{R}\sim6.2$，有必要引入热大气的需要。我们首次报道了在r-Z平面上大尺度垂直速度运动的特征层之间存在小尺度涡旋。这样的涡流可能导致粉尘集中，促进晶粒生长。我们的研究结果突出了重要性，结合光蒸发过程在未来的高分辨率研究的湍流和吸积过程中的磁盘。
2020-10-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
Mapping the Conditions for Hydrodynamic Instability on Steady State Accretion Models of Protoplanetary Disks
年轻恒星周围的流体动力学不稳定性取决于盘的热力学分层和局部热弛豫速率。在这里，我们映射的空间范围的不稳定区域的垂直切变不稳定（VSI），对流超稳定（COS），并通过亚临界斜压不稳定（SBI）涡的放大。我们使用稳态吸积盘模型，包括恒星辐射、吸积加热和辐射转移。我们确定的本地径向和垂直分层和热弛豫率在磁盘中，依赖于恒星质量，磁盘质量和质量吸积率。我们发现，被动区域的磁盘-即辐射为主的中平面温度-COS不稳定约一个压力标度的高度以上的中平面和VSI不稳定的半径$> 10 \, \text{au}$。通过SBI的涡流放大应该在主动盘和被动盘的大部分部分中操作。对于盘的活动部分（吸积功率决定的中平面温度），COS可以变得活动到中平面。由于内部加热盘的垂直绝热分层，VSI也是如此。如果流体不稳定性或其他非理想的MHD过程能够产生$α$ -应力（$> 10^{-5}$），释放的吸积能量导致盘的内部加热，流体动力学不稳定性很可能在年轻恒星周围的盘中的行星形成区的重要部分起作用，驱动气体吸积和流动结构的形成。因此，流体不稳定性是可行的候选人，以解释与ALMA和VLT观察到的环和涡。
2019-02-03 astro-ph.EP
Gas and dust dynamics in starlight-heated protoplanetary disks
原行星盘电离态的理论模型表明，存在大面积的低电离和气体与磁场之间的弱耦合。在这种情况下，流体动力学不稳定性可能变得重要。在这项工作中，我们研究的气体和尘埃的结构和动力学的一个典型的金牛座T系统的垂直剪切不稳定性（VSI）的影响下。我们使用全球三维辐射流体动力学模拟覆盖所有$360^\circ$的方位角嵌入颗粒的0.1和1毫米的大小，进化为400轨道。恒星辐射加热包括0.1- 10- $μ$ m大小尘埃的不透明度。饱和VSI紊流产生的应力-压力比为$α\simeq 10^{-4}$。$α$的值在30天文单位内最低，在那里热弛豫相对于轨道周期较慢，接近VSI截止的速率。$α$从20 ~ 30 au的升高引起35 au附近面密度的下降，导致Rossby波不稳定性，并产生一个半径约为4 au，方位角约为40 au的稳定的长寿命涡旋。我们的研究结果证实了以前的研究结果，mm尺寸的颗粒强烈垂直混合的VSI。1 mm颗粒的尺度高宽比为0.037，远高于HL~Tau系统毫米波观测的$H/r=0.007$值。测量的纵横比与非理想MHD模型拟合较好。在我们的VSI湍流模型中，mm颗粒径向向内漂移，许多颗粒被捕获并集中在涡流内。湍流诱导的速度分散$\sim 12$ ~m/s的mm颗粒，表明颗粒之间的碰撞可能导致破碎。
2020-05-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Vertical shear instability in two-moment radiation-hydrodynamical simulations of irradiated protoplanetary disks I. Angular momentum transport and turbulent heating
本研究通过高分辨率双矩辐射流体动力学模拟，发现小颗粒耗尽时垂直剪切不稳定性（VSI）在盘表面运作而中面受抑，其角动量混合主要为轴对称，且湍流加热导致的温度升高极其微小。
2023-12-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
Substructures Induced by Dust Drag in Protoplanetary Disks
Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg（海德堡大学）；Christian-Albrechts-Universität zu Kiel（基尔大学）
研究通过二维模拟探讨了尘埃流体不稳定性（SI）和垂直剪切不稳定性（VSI）对尘埃分布的影响，发现高金属licity和中等粘性条件下尘埃呈现独特的穿梭状亚结构，表明内在气体-尘埃相互作用可生成显著尘埃亚结构。
2026-04-24 astro-ph.EP
Vertical shear instability with dust evolution and consistent cooling times. On the importance of the initial dust distribution
该研究通过含尘埃演化的原行星盘流体动力学模拟发现，垂直剪切不稳定性的产生依赖初始尘埃尺寸与分布，一旦形成可在长时标维持，大颗粒初始条件下外盘无该不稳定性湍流。
2024-06-14 astro-ph.EP
Radiation Hydrodynamical Turbulence In Protoplanetary Disks: Numerical Models and Observational Constraints
行星诞生于原恒星盘中，现在观测到的分辨率足以解决内部气体流动的问题。驱动气流的候选者包括磁力，但电离状态估计表明，大部分气体质量来自磁场。因此，流体动力学不稳定性可能起主要作用。我们调查磁盘动力学条件下的典型的金牛座T系统，使用全球三维辐射流体动力学模拟嵌入式粒子和分辨率为70个细胞每尺度高度。恒星辐射加热包括真实的尘埃不透明度。圆盘开始于辐射平衡和流体静力平衡。垂直剪切不稳定性（VSI）发展成湍流，持续到至少1600个内轨道（143个外轨道）。湍流速度是中平面处局部声速的百分之几，在日冕中增加到20%，或100 m/s。这些是一致的，最近的上限湍流速度从光学薄和厚的分子线观测TW Hya和HD 163296。由VSI引起的主要垂直运动有效地将颗粒向上提升。尺寸为0.1和1 mm的颗粒达到的刻度高度大于各向同性湍流中的预期高度。我们的结论是，虽然从分子线发射的运动学约束不直接区分磁性和非磁性磁盘模型，在HL头和HD 163296中测量的小尘埃尺度高度有利于湍流磁模型，达到较低的垂直动能密度比的吸积应力。
2017-10-16 astro-ph.EP
Global Simulations of the Vertical Shear Instability with Non-ideal Magnetohydrodynamical Effects
原行星盘（PPD）中的角动量输运机制和湍流水平对于理解行星形成的许多方面至关重要。近年来，人们认识到，由于非理想MHD效应，PPDs中的磁旋转不稳定性（MRI）趋于被抑制，盘在很大程度上是层流的，在磁化盘风的驱动下吸积。与此同时，已经确定了几种流体动力学机制，这些机制也可能产生剧烈的湍流并驱动盘吸积。我们研究的MHD风在PPD与垂直剪切不稳定性（VSI），最有前途的流体动力学机制之一，通过二维全球非理想MHD模拟与双极扩散和欧姆电阻率之间的相互作用。我们发现，对于典型的磁盘参数，MHD风可以共存的VSI吸积主要是风驱动伴随着剧烈的VSI湍流。VSI的属性仍然类似于未磁化的情况下，风和整体场的配置并没有强烈的影响VSI湍流，显示中等水平的可变性和中平面电流片的振荡。气体与磁场之间的耦合增强，削弱了VSI。随着磁化强度的增加，VSI也会减弱，我们发现VSI的周期性运动特征会转变为低振幅的呼吸模式振荡。
2020-01-29 astro-ph.EP astro-ph.SR
High-resolution models of the vertical shear instability
Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
本文使用高分辨率3D全局盘模型研究垂直剪切不稳定性（VSI）的饱和特性，发现大尺度传输在每标高100点时收敛，VSI产生剧烈湍流但无长寿命结构，且内边界伪-artifacts需通过径向延展域避免。
2025-10-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
On the convective overstability in protoplanetary discs
本文探讨了原行星盘死区低层流体动力活动的驱动力。当热扩散或冷却既不太强也不太弱时，通常通过旋转稳定的小的不利径向熵梯度会激发振荡对流（“对流超稳定性”）。我重新审视线性理论的不稳定性，讨论其患病率在原行星盘，并表明，不稳定的模式是精确的非线性解决方案，在当地Boussinesq限制。然而，超稳模式不能无限增长，因为它们受到二次参数不稳定性的影响，将其振幅限制在相对较低的水平。如果寄生物设置了随后湍流的饱和水平，那么对流超稳定性可能太弱而不能驱动显著的角动量输送或产生涡旋。但我也讨论了一种替代的，更有力的，饱和路线，产生径向的“层”或“纬向流”（也见证了在对流）。需要数值模拟来确定哪种结果在现实的光盘中是有利的，因此不稳定性对光盘动力学有多重要。
2015-10-21 astro-ph.EP
The Interplay between Dust Dynamics and Turbulence Induced by the Vertical Shear Instability
本研究通过二维和三维全局模拟，探讨原行星盘中垂直剪切不稳定性（VSI）与尘埃动力学相互作用，发现尘埃反作用抑制VSI波纹模式，但促进罗斯比波不稳定性涡旋中的尘埃集中。
2025-04-24 astro-ph.EP
High Resolution Parameter Study of the Vertical Shear Instability
原行星盘的理论模型表明，垂直剪切不稳定性（VSI）是解释盘死区湍流的主要候选者。然而，VSI的模拟还没有显示出关键盘湍流参数的一致水平，如应力-压力比$α$。我们的目标是通过对VSI进行参数研究来调和这些不同的值，重点是磁盘密度梯度$p$和纵横比$h := H/R$。我们使用完整的2 $π$三维模拟的磁盘为选定的一组两个参数。所有模拟都是针对1000个参考轨道进行的，分辨率为每小时18个单元。我们发现，在我们的模拟中的饱和应力-压力比是依赖于磁盘的纵横比与\review{strong}缩放$α\propto h^{2.6}$，在传统的$α$模型，其中粘度缩放为$ν\propto αh^2$与恒定的$α$。我们还观察到一致的形成大尺度涡在所有的研究参数。旋涡显示出均匀的$χ\approx 10$纵横比和大约1.5 $H$的径向宽度。通过我们的研究结果，我们可以调和等温和辐射流体动力学模型中报告的应力压力比的不同值，并显示VSI的长期演化效应，这可能有助于形成星子。
2020-08-20 astro-ph.EP
On corrugation mode radial wavelengths of the vertical shear instability
本文通过Athena++数值模拟研究垂直剪切不稳定性饱和时波纹模式的径向波长，发现64网格/标高时出现收敛，并利用合成ALMA观测表明高分辨率会显著削弱该特征的可观测性。
2024-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR
Thermal Structure Determines Kinematics: Vertical Shear Instability in Stellar Irradiated Protoplanetary Disks
本研究通过Athena++辐射模块模拟恒星照射下的原行星盘VSI，发现热结构与冷却时标显著影响盘运动学与湍流分布，低计算量的轨道冷却模拟可复现辐射流体结果，相关预测可通过ALMA观测检验。
2024-04-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
UV-processing of icy pebbles in the outer parts of VSI-turbulent disks
本文通过流体动力学模拟和后处理步骤研究了VSI湍流原行星盘外部冰质卵石的UV处理过程，发现毫米级粒子能保留原始成分，而更小粒子会经历有效UV处理并影响中平面成分。
2024-12-02 astro-ph.EP astro-ph.SR
exoALMA. XVI. Predicting Signatures of Large-scale Turbulence in Protoplanetary Disks
本研究通过对 VSI、MRI 和 GI 三种不稳定性进行 3D 数值模拟后处理，预测了原行星盘大尺度湍流在 exoALMA 高分辨率观测中的特征，并发现 MRI 或 GI 产生的螺旋特征可能解释观测到的盘扰动。
2025-04-28 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
Instabilities in dusty non-isothermal proto-planetary discs
构建含尘非等温原行星盘局部模型，研究VSI、COS、SI和DSI不稳定性在更一般条件下的表现，发现尘埃拖曳和浮力对它们的抑制效应，并揭示了两种新型含尘不稳定性。
2023-05-03 astro-ph.EP
A high resolution simulation of protoplanetary disk turbulence driven by the vertical shear instability
本研究采用268.4 M网格点和四阶Padé格式模拟了垂直剪切不稳定性驱动的3D原行星盘湍流，揭示了3D流动中的湍流剪切层、角动量阶梯结构及动能谱特征，并发现轴对称VSI在后期存在伪影。
2024-11-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dust Clumping in Outer Protoplanetary Disks: the Interplay Among Four Instabilities
本研究通过三维全局模拟，揭示了外原行星盘中VSI、SI、RWI和KHI四种不稳定性相互作用导致尘埃强烈聚集，其中仅少数涡旋中的聚集足以形成星子。
2025-04-22 astro-ph.EP astro-ph.SR
Particle dynamics in discs with turbulence generated by the vertical shear instability
在低本征电离的情况下，在吸积盘中产生湍流的候选者中，垂直剪切不稳定性（VSI）已经成为一个有趣的候选者，因为它纯粹依赖于角速度的垂直梯度。现有的模拟表明，可以生成几倍于$10^{-4}$的$α$ -值。早期行星形成阶段的颗粒生长由尘埃颗粒的动力学决定。在这里，我们特别解决的效率VSI湍流集中粒子，以产生超密度和低碰撞速度。我们进行三维数值流体动力学模拟的吸积盘周围的年轻恒星，包括辐射传输和辐射从中央恒星。使用标准阻力公式跟踪在几毫米到几米的尺寸范围内的颗粒的运动。我们确认，在现实条件下的VSI是能够产生完整的三维原行星盘湍流。在10 ~ 60 au范围内，辐照后的圆盘显示出湍流。气体的平均径向运动是这样的，即它在中平面附近向内定向，而在表面层中向外定向。我们发现，大颗粒的漂移与预期的速度向内，而小颗粒可以经历向外漂移的阶段。此外，粒子表现出聚束行为，超密度达到平均值的5倍，这对于单位周围的无量纲停止时间是最强的。VSI湍流圆盘中的颗粒集中在大尺度湍流涡流中，并显示出允许不断增长的碰撞的低相对速度。所达到的过密度还将允许开始流动不稳定性，进一步增强颗粒生长。在更高的盘高度处的小颗粒向外漂移允许将太阳系中处理过的高温材料运输到更远的距离。
2016-07-08 astro-ph.EP
Puffed-up Inner Rings and Razor-thin Outer Rings in Structured Protoplanetary Disks
利用ALMA Band 6观测6个双环原行星盘，发现内环尘埃层膨胀而外环显著沉降，揭示了尘埃沉降效率的径向依赖性，并指出外部沉降环是行星形成的优先场所。
2025-09-16 astro-ph.EP
Electron Heating and Saturation of Self-regulating Magnetorotational Instability in Protoplanetary Disks
磁旋转不稳定性（MRI）具有在原行星盘中产生剧烈湍流的潜力，但由于MRI在低电离分数下的不确定性，其湍流强度和吸积应力仍存在争议。我们集中在加热电子的强电场放大非理想磁流体动力学效应。被加热的电子经常与尘埃颗粒碰撞并粘附在尘埃颗粒上，这反过来又降低了电离分数，并有望削弱MRI驱动的湍流运动。为了定量研究磁共振成像中电子加热的非线性演化，我们采用非分层剪切盒进行了磁流体动力学模拟。我们引入一个简单的解析电阻率模型依赖于电流密度通过模仿电离计算电阻率。我们的模拟证实，当电子加热在低电流密度下发生时，电子加热会抑制磁湍流。我们发现磁应力与其电流密度之间存在明显的相关性，这意味着磁应力与电流密度的平方成正比。当湍流运动被完全抑制时，有序磁场引起层流吸积流。我们给出了一个解析描述的层流状态通过使用的线性微扰方程的电阻率的解决方案。我们还提出了一个公式，成功地预测吸积应力存在的电子加热。
2017-09-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Planetesimal Formation under Realistic Gas Dynamics: Dust Concentration in Turbulent and Windy Protoplanetary Disks
CAS Key Laboratory of Planetary Sciences, Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences（中国科学院行星科学重点实验室、紫金山天文台）；Institute for Advanced Study, Tsinghua University（清华大学高等研究院）；Department of Astronomy, Tsinghua University（清华大学天文学系）
本研究通过Athena++模拟发现，在含环境扩散和磁风的外盘条件下，强尘埃团块持续存在，且磁风通过气体耗散和尘埃捕获增强团块，有利于星子形成。
2026-10-01 astro-ph.EP
Streaming Instability with Multiple Dust Species: II. Turbulence and Dust-Gas Dynamics at Nonlinear Saturation
流动不稳定性是驱动尘埃气体动力学和最终在原行星盘中形成星子的基本过程。作为一个线性不稳定性，它已被证明，它的增长与尘埃尺寸的分布可以分为两个不同的制度，快速和缓慢的增长，这取决于尘埃尺寸分布和总的尘埃气体密度比$ε$。利用数值模拟的非分层光盘，我们把三种情况下，在不同的制度，进入非线性饱和。我们发现，这两个快速增长的情况下的饱和状态是类似的单物种对应。具有最大无因次停留时间$τ_\mathrm{s,max}=0.1$和$ε=2$的一个粒子驱动湍流的垂直尘埃气体涡旋，而具有$τ_\mathrm{s,max}=2$和$ε=0.2$的另一个粒子导致径向交通堵塞和尘埃粒子的对流结构。前者的尘埃密度分布在低密度时是平坦的，而后者的尘埃密度分布具有低端截止。相比之下，一个缓慢增长的情况下，结果在一个几乎静止的状态。此外，我们发现，在快速增长的制度，发生显着的灰尘隔离的大小，大颗粒向密集区移动，而小颗粒留在扩散区，和每个尘埃物种的平均径向漂移是明显改变（初始）阻力平衡。前者可能会使多波长观测得到的光谱指数发生偏斜，并改变卵石云的初始尺寸分布。后者与湍流扩散一起可能影响年轻原行星盘中固体物质的径向输送和混合。
2021-10-12 astro-ph.EP
Convective overstability in accretion disks: 3D linear analysis and nonlinear saturation
最近，Klahr & Hubbard（2014）声称，在热弛豫存在的情况下，由浮力提供动力的原行星盘中存在流体动力学线性超稳定性。我们分析了这一说法，通过严格的可压缩线性分析证实了这一点。我们模拟系统的数值，再现线性增长率的所有情况下研究。我们还研究了剪切盒中超稳定的饱和性质，发现饱和状态产生的有限振幅波动足以触发亚临界斜压不稳定。饱和导致盒中涡度拟能的快速爆发，并且在接下来的$\approx$ 100个轨道的过程中发展出大规模的涡旋。所获得的角动量输运量为$α\approx 10^{-3}$的量级，如在可压缩SBI模型中那样。第一次，一个自持的三维涡产生的线性振幅扰动的静态的基础状态。
2014-05-16 astro-ph.EP
Electron Heating in the Magnetorotational Instability: Implications for Turbulence Strength in Outer Regions of Protoplanetary Disks
磁旋转不稳定性（MRI）在电离分数足够高的原行星盘区域中驱动剧烈的湍流。最近已经表明，由MRI引起的电场可以加热电子，从而影响气体中的电离平衡。特别是，在存在大量尘埃颗粒的盘中，电子加热导致电子丰度降低，从而防止MRI的进一步增长。通过使用非线性欧姆定律，考虑到电子加热，我们调查在原行星盘的MRI和电离化学之间的负反馈变得重要。我们发现，“电子加热区”，该地区的电子加热限制了磁共振成像的饱和度，延伸到80 AU的最小质量的太阳星云与丰富的亚微米大小的颗粒。该区域比在相同盘模型中径向范围为$\sim20$ AU的常规死区大得多。缩放参数表明，在电子加热区的MRI湍流应该有一个显着较低的饱和度。电子加热区中的亚微米尺寸的晶粒是如此带负电荷，以至于它们的碰撞生长不太可能发生。我们目前的模型忽略了双极和霍尔扩散，但我们的估计表明，双极扩散也会影响MRI的电子加热区。
2015-12-09 astro-ph.EP astro-ph.SR
On the dynamics of planetesimals embedded in turbulent protoplanetary discs
原行星盘中的角动量输运和吸积通常被认为是由MHD湍流通过磁旋转不稳定性（MRI）驱动的。嵌入这些圆盘中的固体（尘埃颗粒、巨石、微行星和行星）的动力学可能受到湍流的强烈影响，因此行星系的形成路径部分取决于湍流的强度和空间分布。我们使用三维MHD模拟研究了嵌入湍流原行星盘中的半径在1米至10公里之间的微行星的动力学。微行星受到气体阻力和随机引力的作用，这是由于湍流盘造成的。在这项研究中，我们使用并比较了局部剪切箱模拟和全球模型的结果。这项工作的主要目的是检查：的增长，和可能的饱和度，嵌入式微行星的速度色散作为其大小和光盘参数的函数;微行星的径向迁移和扩散的速率;剪切盒和全球模拟结果一致的条件下。当使用尺寸为4 H x 16 H x 2 H的剪切盒（H为局部尺度高度）时，我们发现局部和全局模拟之间存在良好的一致性。由于螺旋密度波的激发和传播，所获得的密度波动的幅度对盒子的尺寸敏感。这影响了微行星所经历的随机强迫。[...]我们的模型表明，充分发展的MHD湍流在原行星盘将嵌入星子的破坏性影响。相对较低的湍流水平需要的星子吸积的传统模型的运作，这是一致的存在一个死区的原行星盘。
2010-07-07 astro-ph.EP
Explaining Mercury's Density through Magnetic Erosion
在原行星盘中，富含金属铁的尘埃颗粒可以通过磁力相互吸引。如果它们被磁化到接近饱和的值，磁感应碰撞速度就足够高，可以撞掉非磁化的松散结合的硅酸盐。这个过程使金属铁中的尘埃颗粒的幸存部分富集，这进一步增强了磁介导的碰撞。富铁尘埃碰撞截面的磁场增强导致了颗粒的快速生长，从而形成星子。虽然这种硅酸盐脱落的过程，我们称之为“磁侵蚀”，只发生在原行星盘的一个非常有限的部分，这是一个可能的解释水星的不成比例的大铁核心。
2014-07-01 astro-ph.EP
A Parameter Study for Baroclinic Vortex Amplification
最近的研究表明，斜压涡旋放大强烈依赖于某些因素，即全球熵梯度、热扩散和/或弛豫效率以及数值分辨率。我们进行了广泛的范围和各种熵梯度，热扩散和热弛豫时间尺度的组合，通过局部剪切片模拟覆盖的参数空间相关的原行星盘的全面研究。我们测量的雷诺应力作为我们的控制参数的函数，看到有角动量传输，即使熵梯度低至$β=-{d\ln s}/{d\ln r}={1}/{2}$，这对应于在原行星吸积盘中观察到的值。扰动的放大率$Γ$似乎与$β^2$成比例，因此与\BV的平方（$Γ\propto β^2 \propto N^2$）成比例。另一方面，雷诺应力的饱和水平似乎与$β^{1/2}$成比例。这突出了斜压效应的重要性，即使是在原行星盘预期的低熵梯度。
2013-01-22 astro-ph.EP
Convective overstability in radially global protoplanetary disks I -- Pure gas dynamics
本文通过全局线性分析与轴对称及三维非轴对称模拟，研究原行星盘纯气体中的COS，揭示其共振条件、涡旋与压力凸起形成及向外质量输运。
2024-05-08 astro-ph.EP
Axisymmetric simulations of the convective overstability in protoplanetary discs
某些半径的原行星盘表现出不利的径向熵梯度，可以驱动振荡对流（“对流超稳定性”; COS）。随之而来的流体动力学活动可能重塑圆盘的径向热结构，同时径向和垂直地混合固体材料，或者将其集中在漩涡结构中。我们使用代码SNOOPY进行COS的局部轴对称模拟，首先显示寄生虫如何阻止不稳定的指数增长，其次，它随后需要不同的饱和路线。随着雷诺数和（伪）理查森数的增加，系统依次从（a）以相对有序的非线性波为特征的弱非线性状态移动到（b）波湍流，最后移动到（c）形成间歇性的然后是持续性的带状流。在三维空间中，我们预计后者的流动会在轨道平面上产生漩涡。考虑到原行星盘中的雷诺数非常高，第三种状态应该是最普遍的。因此，我们认为，COS是一个重要的动力学过程中的行星形成，特别是附近的功能，如死区边缘，冰线，差距，尘埃环。
2021-08-03 astro-ph.EP physics.flu-dyn
An Analytic Model for Buoyancy Resonances in Protoplanetary Disks
Zhu，Stone和Rafikov（2012）在3D剪切箱模拟中发现了一种新形式的行星-磁盘相互作用，他们将其归因于磁盘中的垂直浮力共振。我们描述了这种相互作用的分析线性模型。我们采用了一个简化的模型，涉及方位强迫产生的共振，并允许其结构的分析描述。我们推导出的浮力扭矩的解析表达式，并表明，垂直扭矩分布与雅典娜模拟和傅立叶方法进行线性数值计算的结果一致，具有相同的迫使。浮力共振与经典的Lindblad共振和共转共振的不同之处在于共振沿着倾斜的平面。它的宽度取决于阻尼效应，与气体声速无关。共振不激发传播波。在给定的大方位波数k_y > 1/h（对于圆盘厚度h）下，浮力共振在径向上比Lindblad共振更靠近共转半径的区域上施加力矩。由于转矩局部化到激励区域，因此它潜在地受到非线性饱和的影响。此外，可以通过谐振区域与其周围环境之间的辐射热传递的效应来减小扭矩。对于每个方位波数，共振在盘中的平面中建立大尺度密度波图案。
2014-02-17 astro-ph.EP
Variation of the disk thickness across ice bands: A method to determine ice abundances in highly inclined protoplanetary disks
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，IPAG）；Astronomy Department, University of California Berkeley（加州大学伯克利分校天文学系）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（喷气推进实验室，加州理工学院）；Department of Earth Science and Astronomy, The University of Tokyo（东京大学地球行星科学系）；Department of Chemistry, University of California Berkeley（加州大学伯克利分校化学系）；Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, CNRS, Univ. Paris-Saclay（奥赛分子科学学院，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；CNRS, Aix-Marseille Université, Laboratoire PIIM（法国国家科学研究中心，艾克斯-马赛大学，PIIM实验室）
通过测量盘厚度变化确定高倾角原行星盘中冰的丰度，克服光谱学饱和问题。
2025-12-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Turbulence Can Persist in the Inner Regions of Weakly-Ionized Planet Forming Disks
Iowa State University（爱荷华州立大学）
研究发现偶极扩散剪切不稳定性可驱动磁扰动增长，霍尔效应不影响湍流，低电离条件下的湍流在行星形成盘内持续存在。
2026-01-19 astro-ph.EP
Magnetohydrodynamics of protoplanetary discs
原行星盘由绕年轻恒星运行的气体和尘埃组成。它们也是行星系统的诞生地，激发了大量的观测和理论研究。在这些课堂讲稿中，我提出了一个应用于这些圆盘的外部区域R>1 AU的磁性机制的综述，这些区域是行星形成区域。与通常的天体物理等离子体相反，这些区域的气体明显冷（T<300 K）和致密，这意味着在圆盘中平面附近的电离率非常低。在这些注记中，我故意忽略了最里面的R~0.1 AU区域，它受星盘相互作用和各种辐射效应的影响。首先，我简要概述了这些天体动力学的观测证据。然后，我介绍的方法和近似用于模拟这些等离子体，包括非理想的MHD，以及与这种方法相关的不确定性。在这个框架中，我解释了如何模拟这些光盘的全球动态，我提出了一个稳定性分析，这种等离子体在本地近似，引入非理想的磁旋转不稳定性。这主要是分析的一部分，我讨论了已被用来描述这种不稳定性的饱和机制的数值模型，和各种饱和机制的大尺度结构的形成。最后，我表明，当地的数值模型是不够的，因为磁化风也从这些物体的表面发出。在对风的物理学作了简短的介绍之后，我提出了原行星盘的全球模型，包括大尺度风和盘的非理想动力学。
2020-07-31 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
