行星盤的最初一萬年

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【本篇報導由地球科學系  李悅寧副教授研究團隊提供】

  原行星盤與恆星相伴形成,過程中關係緊密,本研究利用了超級電腦進行高效能數值模擬,用以探討由原恆星核塌縮到原行星盤的過程,其中考慮了非理想磁流體與輻射轉移過程,結果顯示,原恆星盤內的物質輸送過程,比過去所理解要更複雜,尤其是最初的約莫一萬年時間,當原行星盤還深深包覆於原恆星核中時,層流與磁場的效應遠比紊流重要許多。

  

  恆星形成是一系列的塌縮過程,緻密的分子雲碎成許多片段,形成一個個原恆星核(proto-stellar core),而原恆星核再進一步受自身重力束縛塌縮,形成恆星,每一個步驟的塌縮都是幾千幾萬倍的尺度變化,拿著放大鏡檢視時,又會看到更多的細節。

  這其中之一的細節,就是原行星盤的形成,原行星盤是行星誕生的基地,相較於恆星本身,又小又暗似乎不足一哂,天文學幾百年的觀測歷史,也是到了最近三十年才看見了其他恆星的行星盤,還有其相伴而生的行星。然而人類立足於太陽系的行星之上,我們對於生命的形成、行星的形成仍是充滿好奇的疑惑。

  今天不談行星如何形成,那需要經歷在行星盤中數億年的碰撞與成長。而是談談,這個行星盤的最初一萬年,到底是如何形成,又是如何被原恆星核決定它的樣貌。

  因為對大尺度物理不造成影響,許多恆星形成的研究並不考慮小尺度行星盤形成的過程,而因為系統的複雜性,行星盤的研究則很少實際計算物質如何由原恆星核掉入恆星—星盤系統。我們使用超級電腦模擬由原恆星核塌縮到原行星盤的過程,並且考慮了非理想磁流體與輻射轉移的效應,以達到最接近真實的情況。

  此研究中形成的原行星盤與觀測到的星體有相似的大小,研究團隊從模擬結果中分析原行星盤中的質量輸送,因而發現,大部分的物質從遠離原行星盤面的高緯度直接落入原恆星,而不是如過往大部分模型描述的掉入原行星盤外緣,再經原行星盤掉入原恆星,而原行星盤的赤道面中心,幾乎無紊流運動,許多的物質輸送是直接藉由規則的層流運動,有時甚至由內往外,如此的層流運輸,遠較於紊流擴散運輸更有效率(如圖1)。

  行星的形成要經過很多步驟,有些歷史訊息會留在行星、衛星、小行星的礦物組成、元素組成、與同位素組成,實驗室證據可以提供許多的規範,而理論天文學的工作在於對論出符合現今現象的太陽系過去歷史。

  本研究顯示,原行星盤在剛形成的最初一萬年內,由於原恆星核仍在進行塌縮,電漿與磁場的交互作用也仍然重要,原行星盤內的動態與晚期無原恆星核包覆的拱星殘屑盤(debris disk)極為不同。過往對原行星盤於太陽系形成過程中的角色認知,需要許多修正與更進一步的探討。

 

圖1(模擬數據):原行星盤與其周遭角動量通量(彩色流線),灰階背景為單位質量之角動量,原行星盤來自原行星核的質量吸積多通過高緯度(約45度仰角)的低角動量區。
圖1(模擬數據):原行星盤與其周遭角動量通量(彩色流線),灰階背景為單位質量之角動量,原行星盤來自原行星核的質量吸積多通過高緯度(約45度仰角)的低角動量區。
 

 

原文出處:
Lee, Y. N., Charnoz, S., & Hennebelle, P. (2021). Protoplanetary disk formation from the collapse of a prestellar core. Astronomy and Astrophysics, 648, [A101]. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038105

Period2023 Jul 8

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