Primordial giant planet obliquity driven by a circumplanetary disk
由于恒星潮汐势的作用,分离的环行星盘是不稳定的。我们研究了一个倾斜的环行星盘如何影响扁圆行星自转轴的演化。磁盘的演变使用依赖于时间的线性波状翘曲演化方程,包括代表潮汐势和行星扁率的影响的条款。对于一个质量足够大的圆盘,我们发现行星的自旋很快就与未对准的圆盘对准。行星自转轴的倾斜度在与圆盘相同的时间尺度上增加。这可能是在巨行星中产生原始行星的有效机制。我们认为,直接成像的系外行星在大的轨道半径,其中磁盘质量标准是更有可能得到满足,可能有显着的不稳定性,由于其环行星盘的倾斜。
2021-04-13 astro-ph.EP
Collisional Growth Within the Solar System's Primordial Planetesimal Disk and the Timing of the Giant Planet Instability
太阳系的大尺度结构是由一种短暂的动力学不稳定性形成的,这种不稳定性可能是由巨行星与一个巨大的原始冰碎片盘的相互作用引发的。在这项工作中,我们调查的条件下,这个原始磁盘可以合并成行星使用分析和数值计算。特别是,我们进行数值模拟的太阳系的早期动力学演化,占粘性搅拌和碰撞阻尼内的磁盘。我们证明,如果碰撞阻尼将足以保持温和的速度分散,地球质量trans-Neptunian行星可能出现在一个时间尺度的10万年。因此,我们的研究结果有利于这样一种情况,即外太阳系的动力学不稳定性在气态星云消散后立即开始,以避免外太阳系中地球质量行星的过度产生。
2021-07-22 astro-ph.EP
Convection and Mixing in Giant Planet Evolution
气体巨行星的原始内部结构是未知的。巨行星通常是在绝热、对流和均匀混合的假设下建模的,但这不一定正确。在这项工作中,我们提出了第一个自洽计算的对流传输的热量和物质的行星演变。我们研究了行星的演化如何取决于初始组成及其分布,内部结构是否随时间而变化,如果是这样,它如何影响演化。我们考虑不同的原始分布,不同的成分,不同的混合效率,并遵循重元素的分布在一个小行星质量的行星,因为它的演变。我们表明,一个重元素的核心不能被对流侵蚀,如果有一个尖锐的组成变化的核心信封边界。如果重元素最初是按照某种成分梯度分布在行星内部的,那么在外部区域会发生混合,从而形成成分均匀的外层包层。发现在对流气体包层中注入的重质材料的混合有效地混合。我们的工作表明,巨行星的原始内部结构在决定其长期演化方面起着重要作用,并且巨行星可以具有非绝热内部。这些结果强调了巨行星形成、演化和内部结构自洽耦合模型的重要性。
2015-02-12 astro-ph.EP
Layered semi-convection and tides in giant planet interiors
分层半对流可以在巨行星中运作,可能解释最近从朱诺号观测中推断出的木星中重元素分布的限制,并有助于土星的光度过剩或一些热彗星的异常大半径。这是一种由密度阶梯组成的状态,其中对流层被薄的稳定分层界面分隔开。行星的潮汐耗散效率很大程度上取决于其内部结构。提高我们对驱动这种耗散的机制的理解至关重要,因为它对预测任何行星系的长期演化具有重要意义。在这项工作中,我们的目标是研究所产生的潮汐耗散时,内波激发的其他机构(如巨行星的卫星)在分层半对流区域。我们发现,潮汐耗散率可以显着增强分层半对流介质相比,均匀对流介质,特别是在天体物理相关的亚惯性频率范围。因此,分层半对流是一个可能的候选人来解释最近在木星和土星上观察到的高潮汐耗散率。
2017-10-27 astro-ph.EP
Convective dynamics and disequilibrium chemistry in the atmospheres of giant planets and brown dwarfs
不平衡化学过程对亚恒星天体的光谱有很大的影响。为了研究这些影响,动力学不平衡已被参数化使用淬火和涡扩散近似,但很少有工作已经做了探索这些近似在现实的行星条件下,在不同的动力学制度。作为解决这个问题的第一步,我们研究了本地化,小尺度对流动力学的行星大气的直接数值模拟完全可压缩流体动力学与反应示踪剂使用Dedalus代码。使用多向分层,平面平行的大气中的2-和3-D,我们探讨了不同的抽象化学物种的猝灭行为作为一个函数的动力学条件的大气参数化的瑞利数。我们发现,在2-D和3-D,化学物种淬火深度比预测的基础上简单的混合长度参数。相反,它是必要的,以使用长度尺度的基础上的反应物种的化学平衡曲线,以预测淬灭点和进行化学动力学建模在1-D。基于我们的模拟结果,我们提供了一个新的长度尺度,来自化学尺度的高度,它可以用来执行这些计算。这个长度尺度很容易从已知的化学数据计算,并为我们的动力学模拟做出合理的预测。
2018-02-08 astro-ph.EP
The Evolution and Internal Structure of Neptunes and Sub-Neptunes: The importance of thermal conductivity in non-convective regions
University of Zurich(苏黎世大学)
研究探讨了非对流区域热导率对海王星与亚海王星热演化和内部结构的影响,指出热导率假设对行星半径推断有显著影响。
2026-03-02 astro-ph.EP
Born extra-eccentric: A broad spectrum of primordial configurations of the gas giants that match their present-day orbits
在最近的一篇论文中,我们提出巨行星的原始轨道可能是偏心的(~0.05),并使用一套动力学模拟来显示巨行星不稳定性的结果与它们现在的轨道一致。在这个后续的调查中,我们提出了更全面的模拟,包括更高的粒子分辨率,更长的积分时间,并消除了我们以前的手段,人为地迫使不稳定性发生在指定的时间,通过改变行星的位置在其轨道上。虽然我们发现行星迁移的剩余阶段只会最小限度地改变行星的最终偏心率,但我们的工作揭示了几个有趣的结果,即木星和土星出生时具有极大的偏心率(分别为~0.10和~0.25)。在成功的模拟中,行星的轨道在不稳定之前通过与微行星盘的相互作用而阻尼,从而松散地复制了我们以前工作中考虑的初始条件。因此,我们的研究结果表明,更广泛的合理进化途径能够复制木星和土星的现代轨道结构。
2021-05-23 astro-ph.EP
Nonlinear simulations of tides in the convective envelopes of low-mass stars and giant gaseous planets
在接近的二体天体物理系统中,例如双星或热木星系统,潮汐相互作用经常驱动长期时间尺度上的动力学演化。许多主星和可能的巨型气态行星都有对流包层。伴随物的潮汐势产生的潮汐流可以通过粘性摩擦消散,导致对流壳层内和与伴随物的角动量的重新分配和交换。在最紧密的系统中,非线性效应可能对潮汐耗散产生重大影响,并以纬向流的形式触发差异旋转,如先前的研究所示。在这种情况下,我们研究如何增加非线性影响潮汐流的特性,能量和角动量平衡,使用3D非线性模拟的绝热和不可压缩的对流壳。在我们的研究中,我们选择了一个身体强迫平衡潮汐(准流体静力学潮流分量)的作用,通过有效的强迫激发潮汐惯性波的球壳。在此设置中,我们展示了新的结果存储在纬向流,角动量演化的能量的振幅,其后果潮汐耗散在低质量恒星和巨型气态行星的信封。
2021-09-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Constraining the primordial orbits of the Terrestrial Planets
太阳系的证据表明,巨行星经历了一个非常迅速的径向迁移时期,其e-折叠时间尺度短于100万年。这种迁移的原因可能是巨行星经历了轨道不稳定,导致它们彼此相遇,导致径向迁移。一些研究表明,这种动力学的不稳定性发生在“晚期”,即所有行星形成和太阳星云消散之后很久。假设类地行星已经形成,那么它们的轨道就会受到巨行星迁移的影响。结果,类地行星的轨道是如何变化的?我们能利用这种迁移来获得关于类地行星原始轨道的信息吗?我们直接模拟了大量的类地行星系统及其对巨行星迁移的响应。我们研究了地球的角动量亏损(AMD)的变化。我们认为,原始AMD值应低于当前值的~ 70%,但高于10%。我们发现有五颗巨行星的情况更好地满足了类地行星的轨道约束。我们预测,火星最初是在一个偏心和倾斜的轨道,而水星,金星和地球的轨道更圆,共面。较低的原始动力学兴奋和行星之间的特殊划分为类地行星形成模拟施加了新的约束。
2013-06-05 astro-ph.EP
Evolution of Primordial Kuiper Belt Binaries Through a Giant Planet Instability
在海王星3:2和2:1平均运动共振之间的非共振柯伊伯带天体(KBO)在很大程度上可以分为冷经典带(CCB)和热经典带(HCB)。这两个亚群之间的一个显着差异是广泛分布,等质量的二进制的流行在CCB和一个小得多,但非零的数字在HCB。二进制率差异的主要原因尚不清楚。在这里,使用N体模拟,我们研究是否密切接触的巨行星在早期的外太阳系不稳定性可能会破坏原始柯伊伯带二进制存在于原始柯伊伯带之前,他们达到HCB轨道。我们发现,这样的遭遇是非常有效的破坏二进制分离的~1%的希尔半径(在现代柯伊伯带测量),可能解释了缺乏广泛的间距,相等的质量二进制在现代HCB。此外,我们发现,在现代HCB中观察到的最宽的二进制文件是不太可能生存的行星遭遇,但这些相同的行星遭遇可以扩大一个小的子集更紧密的二进制文件,以产生一个小的人口非常广泛的二进制文件在今天的HCB中看到。
2021-07-06 astro-ph.EP
On a new formulation for energy transfer between convection and fast tides with application to giant planets and solar type stars
所有关于潮汐与对流相互作用的研究都假设大尺度潮汐可以描述为平均剪切流,它被小尺度脉动对流涡旋所阻尼。对流雷诺应力的计算采用混合长度理论,占一个急剧的抑制耗散时,周转时间尺度大于潮汐周期。这产生了几个数量级的潮汐耗散率太小,无法解释晚型双星的循环周期或巨行星的潮汐耗散因子。在这里,我们认为,上述描述是不一致的,因为波动和平均流量应根据时间尺度,而不是在空间尺度上,他们的变化。因此,标准的图像应该颠倒过来,波动是潮汐振荡和最大的对流涡旋提供的平均切变流。我们假设能量是局部转移的潮汐对流。使用这个假设,我们得到的值的潮汐$Q$因素的木星和土星和PMS双星的圆化周期与观测结果吻合得很好。然而,用平衡潮汐近似得到的时间尺度仍然是晚型双星的40倍大,无法解释其圆化周期。对于这些系统,速跃层或对流带底部的切变可能是潮汐耗散的主要原因。
2021-01-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Giant white-light flares on fully convective stars occur at high latitudes
白光耀斑是恒星表面由磁场驱动的局部增亮现象。它们的时间、光谱和统计特性提供了大量关于恒星磁场的物理信息。磁斑的空间分布和相关的耀斑区域有助于限制发电机理论。此外,耀斑被认为对围绕这些恒星运行的系外行星的可居住性有着至关重要的影响。由于缺乏空间分辨率,测量太阳以外恒星上耀斑的位置具有挑战性。在这里,我们提出了四个完全对流的恒星与凌日系外行星调查卫星(TESS),显示大,长时间的耀斑在白光调制的亮度由恒星的快速旋转。这使我们能够直接从光变曲线确定这些耀斑的轨迹。这四次耀斑都发生在纬度55度到81度之间,远高于典型的太阳耀斑纬度。我们的研究结果证明,强磁场往往出现在完全对流恒星的恒星旋转极附近,并表明耀斑对小恒星周围系外行星可居住性的影响可能比以前认为的要弱。
2021-08-04 astro-ph.EP astro-ph.SR
Hot Start Giant Planets Form With Radiative Interiors
在气体巨星的热启动核心吸积形成模型中,行星的内部通常被假设为完全对流。通过计算详细的内部演化的行星假设热启动外边界条件,我们表明,这样的行星实际上将形成一个径向增加的内部熵的配置文件,使其内部将是辐射,而不是对流。对于一个热的外边界,在$S_{min}$有一个最小的熵值,低于这个值,吸积的包层就不能平滑地匹配到内部,而是将高熵物质沉积到不断增长的内部。这意味着至少可以暂时停止行星内重元素的混合,这些重元素是由形成过程中吸积的星子沉积下来的。这将造成的成分梯度可能随后在吸积后冷却期间破坏对流,这将改变观测到的行星冷却曲线。然而,即使是一个均匀的组成,对流随着行星的冷却而发展,冷却时间尺度的差异也会改变直接成像的气体巨星的推断质量。
2017-07-20 astro-ph.EP
Layered semi-convection and tides in giant planet interiors - II. Tidal dissipation
最近的朱诺号观测表明,木星中的重元素可能在其大部分气体包层中被稀释,从而在行星的扩展区域提供稳定的成分梯度。这可能会引发分层的半对流,在更普遍的巨行星背景下,这可能解释了土星的光度过剩,并在导致一些热彗星异常大的半径方面发挥了作用。在巨大的行星内部,它可以采取密度阶梯的形式,这是由薄的稳定分层界面分离的对流层。此外,已知潮汐耗散的效率强烈依赖于行星的内部结构。我们的目标是研究所产生的潮汐耗散时,内波被激发在一个区域的分层半对流的潮汐引力强迫由于其他机构(如卫星在巨大的行星系统,或在热木星系统的恒星)。我们采用了一个本地笛卡尔模型与背景分层的密度剖面进行了强加的潮汐强迫,我们计算的粘性和热耗散率数值。我们发现,潮汐耗散率可以提高分层半对流区域相比,均匀对流介质,后者对应于通常的假设,通过在巨行星内部模型。特别是,分层半对流区域拥有更丰富的共振,允许增强耗散更广泛的潮汐频率。这些结果的细节显着依赖于层状半对流区的结构特性。分层的半对流可以解释在木星和土星上观测到的高潮汐耗散率,这还没有被理论完全解释。需要进一步开展工作,以探索这一机制在全球模型中的效率。
2019-02-13 astro-ph.EP
Instability-Driven Dynamical Evolution Model of a Primordially 5 Planet Outer Solar System
在过去十年中,越来越多的证据表明,太阳系的观测状态可以在不稳定驱动的动态演化模型(如“尼斯”模型)的背景下顺利再现。到目前为止,所有成功实现的不稳定模型都集中在将四颗巨行星从更紧凑的配置演化到它们当前的轨道上。与此同时,形成和喷射更多行星的可能性也被讨论过,但从未成功实施。在这里,我们表明,一个大的阵列5行星(2个气体巨星+ 3个冰巨星)多共振初始状态可以导致一个适当的形成外太阳系,具有喷射的冰巨星在不稳定的阶段。特别是,我们的模拟表明,表征外太阳系的长期动力学的本征模可以密切匹配的5行星模型。此外,如果外行星的抛射时间尺度很短,在这种情况下也可以避免原始冷经典柯伊伯带的轨道激发。因此,太阳系是动力学弛豫的许多可能结果之一,可以起源于各种各样的初始状态。这使得建立一个太阳系早期动力学演化的唯一模型成为不可能。
2011-11-15 astro-ph.EP
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型,发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散,足以解释土星卫星迁移率,对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mars' formation can constrain the primordial orbits of the gas giants
最近的高精度陨石数据推断,火星在太阳系开始的1000万年内迅速完成了它的吸积,并且有一个不完全与地球重叠的吸积区。在这里,我们提出了一个详细的研究吸积区的行星胚胎的高分辨率模拟的星子在一个磁盘。我们发现,所有对木星和土星在其当前偏心轨道(EJS)上的模拟都会导致快速形成的火星和地球区域胚胎之间存在类似的吸积区。另一方面,假设木星和土星(CJS)的轨道更圆,则有更高的机会形成火星,其吸积区不完全由地球和金星区域胚胎主导,但CJS形成火星的速度通常比EJS慢。通过用平均重叠系数(OVL)进一步量化不同区域胚胎吸积区之间的重叠程度,我们发现CJS的OVL与地球和火星的南极同位素混合模型的OVL显示出更好的匹配,这表明巨行星在气盘消散期间可能居住在比今天更圆的轨道上,与它们建议的不稳定前轨道相匹配。更多的样本,包括来自水星和金星的样本,可能会证实这一假设。
2021-04-07 astro-ph.EP
Primordial Earth mantle heterogeneity caused by the Moon-forming giant impact
月球形成的巨大撞击假说成功地解释了地月系统的动力学性质,但仍然受到地球和月球地幔同位素指纹相似性的挑战。此外,最近的地球化学证据表明,地球的地幔保留了古老的(或“原始”)不均匀性,早于月球形成的巨大影响。使用一种新的流体动力学方法,我们在这里表明,月球形成的巨大的影响导致一个分层的开始条件的地幔演化。地球的上层在成分上类似于月球演化出来的圆盘,而下层则保留了原地球的特征。只要这种预测的成分分层可以在随后数十亿年的地球地幔对流中至少部分地保留下来,月球和可接近的地球地幔之间的成分相似性是现实和高概率的月球形成撞击情景的自然结果。在现代地球中原始异质性的保存不仅调和了地球化学的限制,但也符合最近的地球物理观测。此外,为了有效保存原地球储层,地月系统的整体组成可能会系统地向南极值转移。
2019-04-04 astro-ph.EP physics.geo-ph
Wave propagation in semi-convective regions of giant planets
最近对木星和土星的观测表明,重元素可能在气体包层中被稀释,提供了一种成分梯度,可以稳定普通的对流,并在这些行星的核心附近产生稳定的分层层。该区域可能由具有阶梯状密度分布的半对流层组成,由于双扩散对流,该半对流层具有由薄的稳定分层界面分隔的多个对流区。这些层可能对波的传播和潮汐耗散有重要影响,但尚未充分探讨。我们分析了这些层对巨行星内部波传播和传输的影响,扩展了本地笛卡尔模型中的先前工作。我们采用一个简化的全球Boussinesq行星模型,我们探讨了内波在非旋转球体。我们首先研究的自由模式的区域包含半对流层。然后,我们分析通过这样的区域的内波的传输。自由模式强烈地依赖于阶梯特性,并且由具有内部和界面重力波样行为的模式组成。我们确定这些波的频移作为步骤的数量的函数,以探索它们探测行星内部结构的潜力。我们还发现,波的传输是强烈的影响存在的楼梯。非常大波长的波可以有效地传输,但小尺度波只有在与自由模式之一共振时才能传输。因此,对于非谐振模式,芯的有效尺寸更大。
2020-03-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Evolution of Semi-convective Staircases in Rotating Flows: Consequences for Fuzzy Cores in Giant Planets
本文利用三维模拟研究旋转如何延缓巨行星内部半对流阶梯的层合并与界面侵蚀,提出解析模型并估算木星条件下侵蚀时间可延长至约10^11年,从而为模糊核心的长期保存提供可能机制。
2024-10-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
The Primordial Entropy of Jupiter
巨行星的形成历史决定了它们的原始结构和随后的演化。我们模拟了木星的各种形成路径,以确定其原始熵,并发现一个共同的结果是原木星有非对流区域在其内部。我们使用行星形成模型来计算熵和形成后的光度如何依赖于模型的属性,如固体吸积率和不透明度,并表明气体吸积率及其时间演化在确定熵分布中起着关键作用。预测的木星形成后不久的光度变化的一个因素$2$ - $3$为不同的选择模型参数。我们发现木星内部的熵梯度在形成后持续了$\sim 10\ {\rm Myr}$。我们建议,这些梯度应考虑与重元素成分梯度时,建模木星的演变和内部结构。
2018-04-17 astro-ph.EP
Rotation reduces convective mixing in Jupiter and other gas giants
针对气态巨行星原始成分梯度长期留存的问题,本研究提出行星自转是关键影响因素,通过理论与模拟证实自转大幅降低对流速度与混合效率,为木星、土星未完全混合提供了新解释。
2023-05-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Jupiter's evolution with primordial composition gradients
最近的木星形成和结构模型表明,这颗行星可能有成分梯度,而不是完全对流(绝热)。这种可能性直接影响了我们对木星整体组成和起源的理解。在这封信中,我们提出了木星的演化与原始结构组成的一个相对陡峭的重元素梯度的40个地球质量。我们发现,对于一个具有成分梯度的原始结构,在早期的演化过程中(几个10^7年),大部分混合发生在梯度的外部,导致绝热的外层包层(木星质量的60%)。我们发现,在内部深处的成分梯度仍然存在,这表明木星的质量的约40%可以是非绝热的温度比木星的大气性质得出的温度更高。据估计,今天木星中可能发展分层对流的区域仅限于质量的10%左右。
2018-01-24 astro-ph.EP
Searching for GEMS: TOI-7149~b an Inflated Giant Planet causing a 12% Transit of a Fully Convective M-dwarf
研究发现并表征 TOI-7149 b:一颗绕低质量 M4V 恒星运行、凌星深度约 12% 的膨胀气态巨行星,并通过 GEMS 样本比较暗示其形成机制或与 FGK 暖木星相通。
2025-07-28 astro-ph.EP
Tidal dissipation in stratified and semi-convective regions of giant planets
本研究采用理想化全球球形 Boussinesq 模型,探讨稳定分层与半对流层对巨行星内部内波产生及潮汐耗散率的影响,发现稳定分层能在特定频率范围内显著增强潮汐耗散,并可能解释木星和土星的高耗散率。
2023-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mechanisms of jet formation on the giant planets
巨行星的大气层呈现出不同速度和宽度的逆时针(向东)和逆时针(向西)喷流,木星和土星上的赤道喷流是逆时针的,天王星和海王星上的是逆时针的。这些喷流被认为是由高层大气的差异辐射加热或从内部深处发出的内禀热通量驱动的。但是现有的模型不能以能量一致的方式解释巨行星上不同的流动配置。在这里,一个三维的大气环流模型是用来表明,不同的流动配置可以复制的机制普遍在巨行星,如果考虑到他们的辐射加热和固有的热通量的差异。赤道急流是逆行还是逆行取决于深层内禀热通量是否足够强,以致对流穿透到对流层上层并在那里产生强的赤道Rossby波。如果对流Rossby波的产生是强的,低纬度角动量通量的发散,由于斜压涡旋产生的赤道是足够弱(木星和土星)的赤道急流的结果。逆行赤道急流的结果,如果对流Rossby波生成弱或不存在(天王星)或低纬度角动量通量散度由于斜压涡旋是足够强(海王星)。赤道外喷流的不同速度和宽度除其他因素外,取决于大气的辐射加热差异和垂直剪切的喷流高度。这些模拟具有封闭的能量和角动量平衡,与对巨行星的观测一致。
2010-06-07 astro-ph.EP
A primordial origin for the composition similarity between the Earth and the Moon
地月系统的大部分性质都可以用行星胚胎与生长中的地球在吸积过程后期的碰撞来解释。模拟显示,最终聚集形成月球的大部分物质来自撞击物。然而,对地球和月球同位素组成的分析表明它们非常相似。相比之下,其他太阳系天体的组成与地球和月球有很大不同。这对大撞击假设提出了一个重大挑战,因为形成月球的撞击物被认为在成分上也与原始地球不同。在这里,我们在一系列行星吸积的模拟中跟踪生长行星的进食区,以测量形成月球的撞击物的成分。我们发现,在同一模拟中形成的不同行星具有不同的成分,但巨型撞击物的成分在系统上与它们撞击的行星更相似。很大一部分行星撞击物对具有几乎相同的组成。因此,地球和月球在成分上的相似性可能是一次晚期巨大撞击的自然结果。
2015-02-25 astro-ph.EP
An Analytic Radiative-Convective Model for Planetary Atmospheres
本文提出了一个解析的行星大气热结构的一维辐射-对流模式。我们的模型假设热辐射转移是灰色的,可以表示为双流近似。模型大气被假定为流体静力平衡,与大气压力和灰色热光学深度之间的幂律缩放。我们的模型的对流部分采取以下考虑冷凝的挥发物通过一个缩放参数的干燥的蒸发器的蒸发器。通过结合这些假设,我们产生简单的,解析表达式,允许计算的大气压力-温度分布,以及热辐射通量和对流通量的分布的表达式。我们探索我们的模型的一般行为。这些研究包括:(1)太阳光大气衰减较弱的世界,我们发现这些世界往往具有相对较高的辐射对流边界;(2)太阳光在整个大气中有一定衰减的世界,我们发现这些世界可以产生浅或深的辐射对流边界,这取决于太阳光衰减的强度;以及(3)强烈辐照的巨行星(包括热对流层),在那里我们探索的条件下,这些世界获得分离的对流区在其对流层中部。最后,我们验证我们的模型,并通过比较金星,木星和泰坦的平均观测到的热结构,并通过比较计算的通量分布更复杂的模型,证明其实用性。
2012-09-09 astro-ph.EP
Born eccentric: constraints on Jupiter and Saturn's pre-instability orbits
动力学不稳定性被认为塑造了外太阳系的轨道结构。在模拟这种不稳定性时,一个关键的约束来自木星的第五偏心模式(由其振幅M55量化),这是太阳系长期演化的重要驱动力。从通常假设的近圆形轨道开始,目前的巨行星结构处于数值生成系统的极限,M55很少被激发到它的真实值。在这里,我们对大量人为触发的不稳定性进行了动力学分析,并测试了巨行星原始轨道的各种配置。除了更多的标准设置,并受到现代流体动力学模拟的结果的巨大行星的原始气体盘内的演变,我们认为木星和土星出现的可能性,从星云气体锁定在2:1共振与非零偏心率。我们表明,在这样的情况下,现代土星-土星系统代表了一个典型的模拟结果,和M55通常匹配。此外,我们表明,天王星和海王星的最终轨道是由在原始柯伊伯带的质量和喷出的冰巨人的组合。
2020-09-23 astro-ph.EP
The Collisional Evolution of the Primordial Kuiper Belt, Its Destabilized Population, and the Trojan Asteroids
本研究利用Boulder代码模拟原始柯伊伯带、失稳族群和木星特洛伊小行星的碰撞演化,约束碎裂定律并统一解释撞击坑、彗星SFD及行星撞击频率。
2023-07-13 astro-ph.EP
Trans-Neptunian objects as natural probes to the unknown solar system
海王星外天体(英语:Trans-Neptunian objects,缩写为TNO)是一种冰质/岩石天体,在海王星外带(英语:Trans-Neptunian belt)(或称埃奇奥-柯伊伯带)中移动到海王星轨道之外。与吸积模型的预测相反,这些模型的特征是原行星盘微行星在动态冷轨道上演化(具有非常小的偏心率e和倾角i),在现实中,TNO表现出惊人的轨道偏心率和倾角范围。一些理论模型已经解决了TNO的主要动力学类别的起源和轨道演化,但没有一个成功地复制它们。此外,没有人解释过几个特殊轨道上的物体,或者提供了有见地的预测,没有这些预测,模型就不能根据观测进行正确的测试。基于广泛的模拟的存在下的四个巨大的行星和大量的模型的星子的星子盘,我详细探讨的TNO的动态,特别是他们的(不)稳定的地区在时间尺度上可比的年龄的太阳系,和整个跨海王星区域的共振的作用。我还提出,随着巨行星的轨道历史,原始胚胎(质量相当于火星-地球质量的巨大星子)的轨道演化可以解释外海王星带的精细轨道结构,木星和海王星特洛伊的轨道,以及可能的巨行星的当前轨道。这些原始胚胎最终被巨行星分散,这一过程将巨行星的轨道和原始星子盘都搅拌到40-50 AU的水平。特别是,如果至少有一个这样的原始胚胎(小行星)生存在太阳系的外围,由外海王星带提供的主要限制是最佳满足。
2012-12-26 astro-ph.EP
The excitation of a primordial cold asteroid belt as an outcome of the planetary instability
主要的小行星带(MB)质量较低,但受到动力学的激发。在这里,我们提出了一种新的机制,以激发MB在巨行星(“尼斯模型”)不稳定,这是预计有特色的木星和一个或多个冰巨人(“跳跃木星”- JJ)之间的反复密切接触。我们表明,当木星暂时达到足够高的水平的激励,无论是在偏心率和倾斜度,它会导致强大的强制矢量的偏心率和倾斜度在MB区域。因为在JJ不稳定性期间,木星的轨道“跳跃”,强迫矢量在整个MB区域的幅度和相位都不断变化。因此,整个冷的原始MB作为JJ不稳定性的自然结果而被激发。然而,这种激发的水平通常大于在MB中观察到的当前轨道激发。我们发现,随后的演变,太阳系是能够重塑由此产生的过激发MB到目前的轨道状态,并强烈的质量耗尽($\sim$ 90 $\%$)与JJ不稳定相及其随后的演变在整个年龄的太阳系。
2018-08-02 astro-ph.EP
The Intrinsic Temperature and Radiative-Convective Boundary Depth in the Atmospheres of Hot Jupiters
在巨行星大气模拟中,内禀温度$T_\mathrm{int}$和辐射对流边界(RCB)是重要的下边界条件。在一维辐射对流模式和三维大气环流模式中,通常假设$T_\mathrm{int}$与木星本身的温度相似,大约为100 K,这就产生了热木星的RCB大约为1 kbar。在这项工作中,我们表明,膨胀的半径,因此高比熵的内部,热超导体建议更高的$T_\mathrm{int}$值。假设这种效应主要是由于电流加热(而不是延迟冷却),我们推导出$T_\mathrm{eq}$和$T_\mathrm{int}$之间的平衡关系,表明后者可以取高达700 K的值。作为回应,RCB在大气中向上移动。使用一维辐射对流大气模式,我们发现RCB只有几个酒吧,而不是通常假设的RCB。这浅得多的RCB的大气结构,垂直和水平环流,相位曲线的解释,以及深冷阱对云的形成的影响有重要的意义。
2020-01-15 astro-ph.EP
Melting the core of giant planets: impact on tidal dissipation
巨行星被认为拥有中央致密的岩石/冰核,这是其形成的核心吸积情景的关键演员。与此同时,它们的一些组分在巨行星中心区域的温度和压力制度中是不稳定的,只有从头算EOS计算才能解决物质状态的问题。在这个框架内,一些工作表明,必须考虑到包层中核心材料的侵蚀和重新分布。因此,这些复杂的机制可能会深刻地改变巨行星的内部,木星和土星已经获得了强烈的潮汐耗散的特征。解释这种耗散的最佳候选者是中央致密核中的粘弹性耗散和流体对流包络中作用于潮汐惯性波的湍流摩擦。在这项工作中,我们研究的后果可能熔化的中心区域的效率,这些机制。
2015-10-19 astro-ph.EP
The Last Gasp of Gas Giant Planet Formation: A Spitzer Study of the 5 Myr-old Cluster NGC 2362
我们描述了斯皮策IRAC和MIPS对人口众多的500万年前的疏散星团NGC 2362的观测。早期/中间型确认/候选星团成员要么有光球中红外辐射,要么有弱的、光学薄的红外过量辐射,小于24微米,与碎片盘一致。很少有晚型、太阳/亚太阳质量的恒星有原始盘。晚型恒星周围的星盘主要由具有内孔的星盘(典型的“过渡盘”)和“同源耗尽”星盘组成。这两种类型的磁盘代表原始磁盘和碎片磁盘之间的中间阶段。因此,我们发现,多个路径的原基碎片盘过渡存在。我们的研究结果破坏了标准的论点,有利于一个~ 0.01万年的时间尺度的过渡的基础上,从金牛座御夫座的数据和排除标准的紫外光蒸发的情况下,解释过渡的主要机制。结合我们的数据与其他斯皮策调查,我们调查周围的高/中等质量的恒星碎片盘的演变和调查巨型行星形成的时间尺度。如果气盘中的气体和尘埃在相似的时间尺度上演化,那么围绕早期类型的高/中等质量恒星的气体巨行星的形成时间尺度可能是1- 500万年。斯皮策探测到的大多数太阳/亚太阳质量的恒星都有SED,表明它们的盘可能正在积极地离开原始盘阶段。因此,气态巨行星形成也可能在500万年前发生在太阳/亚太阳质量恒星周围。
2009-05-23 astro-ph.EP astro-ph.GA
Different Inhomogeneous Evolutionary Histories for Uranus and Neptune
本研究构建天王星与海王星的非绝热、非均匀演化模型,表明二者外包层对流稳定性差异可解释光度及金属度差异,并预测海王星包层有利于氢-水不混溶。
2025-07-24 astro-ph.EP
The nature of gas giant planets
揭示我们太阳系中气体巨行星的真实性质是具有挑战性的。木星和土星的质量分别是地球质量的318倍和95倍。虽然它们主要由氢和氦组成,但较重元素的总质量和分布仍然未知,这揭示了它们的起源信息。最近对木星和土星的引力场的精确测量,以及对行星材料在高压下的行为的了解,使我们能够更好地约束它们的内部。更新的木星和土星结构模型表明,这两颗行星都有复杂的内部,包括成分不均匀性,非对流区域和模糊的核心。此外,很明显,木星和土星之间存在显着差异,每个巨大的行星都是独一无二的。这对巨型系外行星的特征描述和我们对气态行星作为一类天文物体的理解有直接的影响。在这篇综述中,我们总结了用于模拟巨行星内部的方法和巨行星结构模型的最新进展。
2022-02-21 astro-ph.EP
Global 3D Radiation Hydrodynamic Simulations of Proto-Jupiter's Convective Envelope
巨型行星形成的核心吸积模型受到了挑战,因为发现行星外壳和圆盘之间的循环流动可以减缓或停止外壳吸积。我们进行了3D辐射流体动力学模拟与更新的不透明度汇编模型的原木星的信封。为了隔离对流和再循环的3D效果,我们模拟了孤立的球形信封和嵌入圆盘的信封。封套以给定的速率加热以达到稳定状态,从而能够与1D模型进行比较。我们改变信封属性,以获得辐射和对流的解决方案。使用被动标量,我们观察到显着的质量回收轨道上的时间尺度。对于辐射包层,再循环只能从圆盘表面渗透到$\sim$ 0.1-0.2行星希尔半径,而对于对流包层,对流运动可以“挖掘”更深的包层部分,使整个对流包层有效地再循环。然而,这种回收对包封的热结构的影响有限。嵌入圆盘中的辐射包层与孤立包层具有相同的结构。当对流包层嵌入盘中时,其密度略高。我们引入了一种修改后的1D方法,可以完全再现我们的3D模拟。与我们更新的不透明度和一维模型,我们重新计算木星的信封吸积与10 $M_{\oplus}$核心,和失控吸积的时间尺度比在以前的研究光盘寿命短。最后,我们讨论了有效的再循环对观测到的行星大气(特别是超级地球和迷你海王星)的化学丰度的影响。
2021-09-01 astro-ph.EP
Convective shutdown in the atmospheres of lava worlds
该研究通过一维辐射-对流模型模拟熔岩行星大气,发现对流关闭可维持永久岩浆海,并指出观测可约束地幔氧化状态。
2024-12-16 astro-ph.EP
TESS Giants Transiting Giants. VI. Newly Discovered Hot Jupiters Provide Evidence for Efficient Obliquity Damping after the Main Sequence
本文首次系统研究亚巨星周围热木星的倾角,发现冷却至约6250 K以下的亚巨星系统中热木星轨道快速对齐,并将重新对齐时标上限限定为约500 Myr,为潮汐倾角阻尼机制提供了观测证据。
2024-07-31 astro-ph.EP astro-ph.SR
The effect of planet-planet scattering on the survival of exomoons
与太阳系中的巨行星相比,系外行星具有许多显著的性质,例如偏心轨道上的巨行星的普遍存在和热彗星的存在。巨行星之间的行星-行星散射(PPS)是解释上述和其他观测到的性质的可能机制。如果观测到的巨行星结构确实是PPS的结果,那么这种剧烈的动力学过程一定会影响它们的原始卫星系统。在这封信中,我们讨论了PPS对其规则卫星生存的影响。从观测的角度出发,通过模拟得出了一些初步的结论。1. PPS对月球系统是一个破坏性的过程,偏心轨道上的单个行星不是理想的寻月目标。2.如果热彗星是通过PPS形成的,它们原来的卫星几乎没有机会存活下来。3.在多个系统中的小偏心率的行星更有可能拥有它们的原始卫星。4.与质量较低的行星相比,如果系统经历了PPS历史,多个系统中的大质量行星可能不是首选的月球搜索目标。
2013-05-08 astro-ph.EP
Layer formation in a stably-stratified fluid cooled from above. Towards an analog for Jupiter and other gas giants
本研究通过二维数值模拟探究上方冷却的稳定分层流体的层结形成机制,发现高Pr下会因热边界层不稳定性形成对流层,低Pr下则不会,且长期来看流体最终完全混合,对气态巨行星一维演化模型提出了挑战。
2022-11-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Giant Planet Evolution with MESA
本文通过改进 MESA 代码的状态方程、辐射不透明度、对流混合及氦雨沉降处理,提升了其对巨行星演化的建模与预测能力,并已公开发布。
2025-11-10 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Pebble dynamics and accretion onto rocky planets. II. Radiative models
我们研究了辐射能量传递对一系列嵌套网格,高分辨率的流体动力学模拟的气体和粒子动力学在附近的地球质量的行星胚胎的影响。我们包括加热由于固体的吸积和随后的对流运动。使用一个恒定的胚胎地面温度,我们表明,辐射能量输送的结果在一个趋势,以减少在原始大气中的熵,但这种趋势得到缓解的对流能量输送的强度增加,触发相应增加的超绝热温度梯度。因此,对流运动的幅度在胚胎附近增加了大约一个数量级。在这里调查的情况下,其中对磁盘表面的光学深度大于1,在希尔球的外部的温度相对于没有辐射能量输送的情况下,减少只有$\sim$ 100 K,而质量密度增加是在希尔球的内部的一个因素的顺序。我们的研究结果表明,除非不切实际的低尘埃不透明度的假设,辐射冷却的原始岩石行星大气的背景下,只能成为重要的磁盘表面密度显着下降后,低于最小质量的太阳星云值。
2018-10-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
A Panchromatic JWST Spectrum of a Giant Starspot on the Fully Convective M-dwarf TOI-3884
University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校);Flatiron Institute(平顿研究所);Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院);Michigan State University(密歇根州立大学);Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité(巴黎天文台,PSL大学,法国国家科学研究中心,索邦大学,巴黎西岱大学);Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS(波尔多天体物理学实验室,波尔多大学,法国国家科学研究中心);Hobart and William Smith Colleges(霍巴特和威廉史密斯学院);The Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学);University of Tampa(坦帕大学);Arizona State University(亚利桑那州立大学);University of Birmingham(伯明翰大学);Université de Liège(列日大学);Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)(加那利群岛天体物理研究所);NASA Goddard Space Flight Center(美国宇航局戈达德太空飞行中心);Carnegie Institution for Science(卡内基科学机构);Tata Institute of Fundamental Research(塔塔基础研究所)
利用JWST对TOI-3884 b的七次凌星观测,通过重复的星斑穿越特征,测量了M矮星星斑的首个经验泛光光谱,并约束了恒星自转周期、极向取向和星斑性质。
2026-06-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Absence of a Correlation between White Dwarf Planetary Accretion and Primordial Stellar Metallicity
本文通过宽双星系统中伴星金属丰度作为白矮星原初金属丰度的代理,比较受污染与未受污染白矮星的金属丰度分布,发现两者无显著差异且吸积率与金属丰度无显著趋势,表明巨行星并非白矮星吸积事件的主导原因。
2024-06-26 astro-ph.EP astro-ph.SR
The equilibrium tide in stars and giant planets: I - the coplanar case
自1995年以来,已经发现了500多颗太阳系外行星,它们的轨道非常接近它们的母恒星,在那里它们经历了强烈的潮汐相互作用。它们的轨道演变取决于引起潮汐耗散的物理机制,而这些机制仍然没有得到很好的理解。我们完善了部分或完全对流的流体体中的平衡潮汐理论,以预测系统的动力学演化。特别是,我们检查了通过品质因数Q对潮汐耗散进行建模的有效性,正如通常所做的那样。我们在这里考虑最简单的情况,即所考虑的恒星或行星均匀旋转,所有自旋都对齐,伴星被简化为一个点质量。潮汐的第一个表现是沿着中心线扭曲恒星或行星的形状。这就产生了绝热平衡潮的无发散速度场,它与动力潮解耦。潮汐动能通过湍流摩擦耗散为热量,在此将湍流摩擦模拟为作用于绝热潮汐流的涡粘性。这种耗散引起了第二个速度场,耗散平衡潮汐,这是在正交的激励潜力,它是负责的虚部的干扰功能,这是实施的动力学演化方程,从中得出的特征演化时间。系统演化的速率取决于潮汐耗散的物理性质,特别是涡动粘度如何随潮汐频率变化以及流体平衡潮汐的对流包络的厚度。在低频率下,这种潮汐延迟一个恒定的时间延迟,而它滞后一个恒定的角度时,潮汐频率超过对流周转率。
2012-05-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
PICASO 3.0: A One-Dimensional Climate Model for Giant Planets and Brown Dwarfs
即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)观测将使我们能够非常详细地研究系外行星和褐矮星大气。对这些即将到来的高信噪比观测的物理解释需要系外行星和褐矮星的精确大气模型。虽然在过去的三十年中已经开发了几个一维和三维大气模型,但这些模型通常依赖于化学平衡等简化假设,并且通常不是开源的,这限制了更广泛社区的使用和开发。提出了一个基于Python的一维大气辐射对流平衡模式。该模型继承了基于Fortran的代码(Marley et al.,1996},它已被广泛用于模拟太阳系天体、褐矮星和系外行星的大气。简而言之,原始模型的基本能力是计算物体在辐射-对流平衡状态下的大气状态,给定其有效或内部温度、重力和主星性质(如果相关)。在新的模型中,这已被列入充分利用的代码库PICASO,我们已经添加了这些原始功能,以及自我一贯治疗不平衡化学的新能力。本规范广泛适用于以氢为主的大气(例如,褐矮星和巨行星)。
2022-08-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Constraints on the long-term existence of dilute cores in giant planets
本文通过固定温度与成分通量边界条件的DNS研究双扩散对流分层,发现gamma不稳定性导致的层化增长具有普适性,从而为土星稀疏核心及行星形成演化提供新约束。
2024-05-10 astro-ph.EP astro-ph.SR
Understanding tidal dissipation in gaseous giant planets from their core to their surface
行星内部的潮汐耗散是驱动恒星-行星和行星-月球系统演化的关键物理机制之一。行星中的潮汐耗散与其内部结构有着内在的联系。特别是,流体和固体层的行为不同的潮汐强迫。因此,必须对它们各自的消能水库进行比较。在这项工作中,我们分别计算潜在的致密岩石/冰的核心和对流流体包层的气态巨行星的贡献,作为核心的大小和质量的函数。我们证明,在一般情况下,这两种机制必须考虑。
2014-11-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
Convective turbulent viscosity acting on equilibrium tidal flows: new frequency scaling of the effective viscosity
湍流对流被认为是一种有效的粘性($ν_E$),在恒星和巨行星中阻尼潮汐流。然而,这一机制的效率长期以来一直存在争议,特别是在快速潮汐的制度,当潮汐频率($ω$)超过占主导地位的对流涡旋($ω_c$)的周转频率。我们提出的流体动力学模拟的结果,研究潮汐流动和对流之间的相互作用,在一个小补丁的对流区。这些模拟建立在我们以前的工作,通过模拟更大的水平箱湍流对流,在这里,我们探索更广泛的参数。我们得到了几个新的结果:1)$ν_E$是频率依赖性的,当$ω/ω_c \lesssim 1$时缩放为$ω^{-0.5}$,并且似乎仅对于非常小的频率($ω/ω_c \lesssim 10^{-2}$)达到其最大恒定值。这种低频潮汐强迫的频率降低以前从未观察到过。2)对于低频和中频,$ν_E$的频率依赖性似乎遵循与能量(或雷诺应力)的频谱相同的标度。3)对于高频($ω/ω_c\gtrsim 1-5$),为$ν_E\propto ω^{-2}$。4)在柯尔莫哥洛夫叶栅中,能量占主导地位的对流模态对$ν_E$的贡献最大,而不是共振涡旋。这些结果对恒星和行星对流区的潮汐耗散具有重要意义,并表明恒星和巨行星中平衡潮汐的经典潮汐理论应该重新审视。我们简要地触及行星轨道衰变的影响周围不断演变的恒星。
2020-07-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Tidal dissipation due to the elliptical instability and turbulent viscosity in convection zones in rotating giant planets and stars
本文通过旋转瑞利-贝纳德对流模拟研究巨行星和恒星中椭圆不稳定性与湍流对流对潮汐耗散的贡献,推导并验证了有效黏性标度律,发现椭圆不稳定性对短周期热木星有效,而湍流对流黏性相对惯性波可忽略。
2023-06-30 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Understanding tidal dissipation in gaseous giant planets : the respective contributions of their core and envelope
行星内部的潮汐耗散是驱动恒星-行星和行星-月球系统演化的关键物理机制之一。新的约束条件,现在都获得了太阳系和系外行星系统。行星中的潮汐耗散与其内部结构有着内在的联系。特别是,流体和固体层的行为不同的潮汐强迫。因此,必须对它们各自的消能水库进行比较。在这项工作中,我们分别计算潜在的致密岩石/冰的核心和对流流体包层的气态巨行星的贡献,作为核心的大小和质量的函数。然后,我们比较相关的耗散水库,通过评估频率平均值的爱数$k^2_2$的虚部在每个区域。我们证明,在一般情况下,这两种机制必须考虑。
2014-10-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Convective Differential Rotation in Stars and Planets II: Observational and Numerical Tests
差速自转是恒星和行星中许多未解之谜的核心。在第一部分中,我们预测的数量级和缩放的差异旋转在流体动力学和磁流体动力学对流区。我们的研究结果适用于缓慢和快速旋转的系统,并提供了一个一般的图片,在恒星和流体行星的差异旋转。进一步计算了纬向环流、熵梯度和斜压性的标度。在这篇配套论文中,我们将这些预测与各种观测和数值模拟进行了比较。除了少数例外,我们发现,这些都是一致的,在缓慢旋转和快速旋转的限制。我们的结果有助于定位红巨星的核心包层剪切,建议在大质量恒星的内部重力波的旋转相关的频移,并可能解释观测到的偏离冯Zeipel的重力暗化晚型星。
2020-08-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn