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紫金山天文臺等揭示原行星盤中旋渦形成的旋臂特征
2019年10月18日

  1018日,The Astrophysical Journal Letters (《天體物理學雜志快報》)在線發表了中科院紫金山天文臺(紫臺)研究員季江徽課題組與合作者的研究成果,該項研究基于流體力學模擬,揭示原行星盤中旋渦形成的旋臂特征,對理解原行星盤非對稱性結構成因具有科學意義。 

  原行星盤是環繞在年輕恒星周圍,由氣體和塵埃組成的氣體盤。這些環繞恒星的原行星盤是行星的“誕生搖籃”,好比孕育行星的“胎盤”。原行星盤的半徑通???/span>延伸到數百至上千天文單位(1天文單位約等于日地平均距離)。20149月,智利北部阿塔卡馬沙漠高原上阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)拍攝到一顆年輕恒星HL Tauri(距離我們約460光年)周圍的氣體和塵埃盤的圖像,發現其附近的塵埃分布呈現一系列的清晰環狀結構。之后,又陸續獲得了許多其他年輕恒星周圍的氣體和塵埃盤的高分辨率圖像。這些代表著行星形成區域的圖像,有些是整齊的橢圓盤中夾著清晰的環狀空帶,有些則像微型的星系那樣由旋臂組成開放的弧形。這些觀測到的原行星盤的精細結構如何形成?它是行星的引力勢在盤中激發密度波產生,抑或是盤自身的引力不穩定性所致? 

  近年來,ALMA觀測到很多存在明顯的方位非對稱性結構的原行星盤塵埃連續譜圖像。目前認為這類非對稱結構源于行星盤中引發羅斯貝波不穩定性 (RossbyWave Instability),在盤中產生反氣旋的旋渦。在光學紅外散射光及 ()毫米波段的塵埃熱輻射觀測中,目前發現不少的原行星盤呈現大尺度的旋臂結構 (HD 142527, MWC 758, SAO 206462)(1)。 

  該研究通過流體動力學模擬,在原行星盤中觸發羅斯貝波不穩定性,產生大尺度旋渦結構,進而旋渦產生密度波形成旋臂結構(圖2)。這種旋臂的產生新機制不同于行星與原行星盤相互作用產生密度波而形成旋臂,但旋渦產生的旋臂強度與超級地球(4個地球質量)產生的旋臂強度類似(圖3)。研究發現旋渦能產生多于4條旋臂結構,然而僅有2條是由于旋渦壓縮流線產生的密度波形成。研究還表明旋渦激發旋臂的性質與旋渦的質量并無聯系,分析了其各種特性,指出旋渦產生的旋臂的面密度對比度無法解釋目前觀測到具有明顯旋臂結構的原行星盤(MWC 758,SAO 206462),因此它們的旋臂結構不可能是由旋渦激發產生。本項研究為未來ALMA對原行星盤的旋臂高精度觀測提供了重要科學依據。 

  該項研究工作第一作者為紫臺博士生黃平輝,合作者包括加拿大維多利亞大學助理教授董若冰和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究員Hui Li課題組,該工作得到了國家自然科學基金(11773081,11661161013,11633009, 11873097) 、中國科學院創新交叉團隊、中國科學院行星科學重點實驗室等資助?!?/span> 

  文章鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab40c4 

1 通過VLT/SPHERE 觀測得到的MWC 758 的1.04 um 的紅外散射光圖像,看到MWC 758 呈現2 條明顯的旋臂結構(粗虛白線)。而方塊為模擬兩顆行星所在的位置,由于行星產生的密度波從而形成了大尺度的旋臂結構 (Benisty等, 2015)。 

2 由羅斯貝波不穩定性產生的反氣旋旋渦在原行星盤中激發旋臂結構,旋臂的激發機制與旋渦的質量無關。 

3 旋渦產生的旋臂強度與超級地球(4個地球質量)產生的旋臂強度類似。

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