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title: "原行星盘的尘埃陷阱互动实验｜Sandbox Physics"
description: "小石子往恒星漂得这么快，怎样还能聚起来？气压会改变气体的绕行速度，阻力便能带走或补给固体的角动量，把它们推向气压最高处。"
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last_modified: "2026-10-28"
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AC14 · 气体也会被推回去

# 原行星盘的尘埃陷阱

**小石子往恒星漂得这么快，怎样还能聚起来？** 气压会改变气体的绕行速度，阻力便能带走或补给固体的角动量，把它们推向气压最高处。尘埃集中后也会反推气体，改变漂移。这样的捕获能为继续生长储备物质；流动不稳定性则是另一种集体不稳定，需要双向阻力和径向—垂直运动。引力塌缩还需要补入其他物理。

准备一座气压峰，把它拖过尘埃环片，看相互阻力怎样改变两种物质，再跟随单独标注的线性流动不稳定模式。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型假设

这里计算有界合成模型。默认是周期边界的一维径向等温气体与无压尘埃有限体积环片，阻力真实双向交换动量。拖动气压标记会准备新的气体初态，此后气压峰自由演化。这种径向陷阱不是流动不稳定性。另一个径向—垂直预设积分完整线性不可压双流体 Fourier 模式，在小密度振幅处停止，不求解非线性饱和或引力塌缩。停止时间固定，尘埃每点只有一个速度，陡峭的多流状态超出解释范围。等温处理带走热量，数值扩散与物理湍流分别说明。实验不计算实测盘图像、行星形成或 ALMA 反演。

演化中的径向气压陷阱；这个模型不包含流动不稳定模式。

青色表示气体，琥珀色表示尘埃。点采样保存的流体密度，短迹线使用局部速度。它们是密度示踪标记，不是逐颗求解的真实沙粒或 ALMA 实测图像。线性视图显示实际径向—垂直密度扰动，采用固定放大的色标。

密度剖面

径向运动

守恒、分辨率与边界

径向环片有128格，采用周期边界。八个角频率倒数时，默认尘埃密度与1024格参考的相对 L1 差异为百分之2.92，峰高相差约百分之6.1。这是数值分辨率差异，不是物理误差条。线性实验保留一个周期模式，每种流体有三个速度分量，在百分之十尘埃振幅或十个角频率倒数时停止；各扰动采用相同的简单扩散，不是完整湍流盘模型。

物理教程

## 把气体也一起看

**背景** 压强让气体与固体以不同速度绕行，阻力在两者间传递角动量。

**为什么值得理解** 积起的尘埃和增长的流动波都能呈现结构，却需要不同的动力学解释。

先抓重点

- **核心问题**: 气压最高点两侧的固体，分别往哪边漂？
- **一句话直觉**: 阻力也会反推气体，线性不稳定还需要相应的空间模式。

### 核心数学模型

#### 停止时间

$$
\mathrm{St}=\Omega t_{\rm stop}
$$

把阻力弛豫时间与轨道角时间相比；单靠 Stokes 数还不能指定粒径。

#### 试验粒子的径向漂移

$$
v_{{\rm d},x}=-\frac{2\mathrm{St}}{1+\mathrm{St}^2}\eta v_{\rm K}
$$

无反馈时，停止时间接近一个角频率倒数，漂移最快；压强梯度在峰两侧反号。

#### 等大反向的动量交换

$$
\rho_{\rm g}\mathbf a_{{\rm g},D}+\rho_{\rm d}\mathbf a_{{\rm d},D}=0
$$

阻力是混合物内部作用，守恒总动量。

### 常见难点

#### 陷阱是另一项实验

**容易误解** 只要尘埃峰升高，就是流动不稳定性。

**正确理解** 径向陷阱可通过初始气体结构收集物质；独立流动模式保留径向与垂直运动，检验的是线性本征增长。

### 动手实验

1. 01

   #### 移动气压结构

   横向拖动气压标记，观察预热后的密度带。

   **你会看到：** 移动的是气体初态，尘埃聚集来自后续计算的流动。

2. 02

   #### 改变耦合

   保持相同气压振幅，比较“紧跟气体的小颗粒”与“快速漂移的小石子”。

   **你会看到：** 不同停止时间改变相对运动，也改变同一时间内积起的尘埃。

3. 03

   #### 让气体响应

   选择“尘埃反推气体”，同时比较密度和速度。

   **你会看到：** 更多尘埃改变气体运动并削弱径向漂移，气体也在演化。

4. 04

   #### 检验另一种波

   选择“线性流动不稳定波”，再看“扩散压低波幅”，留意方向与单位的改变。

   **你会看到：** 小振幅径向—垂直模式，按积分的双流体方程增长或衰减。

物理结论

分别理解径向捕获、线性增长与后续引力塌缩。

## 相关实验与文章

气体、小石子与最初的聚集 · 阅读路径

### 气体、小石子与最初的聚集

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **小石子怎样在成行星的盘里聚起来**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/dust-gas/pebbles-in-a-headwind/)
2. [文章 **推导尘埃漂移与气体的响应**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/dust-gas/drift-and-feedback/)
3. [文章 **给流动波两个可以增长的方向**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/dust-gas/two-directions-to-grow/)
4. [文章 **复算流动增长率与有界双流体环片**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/dust-gas/streaming-replay/)
5. [文章 **顺着亮环与聚团阈值读原论文**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/dust-gas/rings-and-thresholds/)

运动与动力系统 · 入门路径

## 从一次下落到一条轨道

先测重力，再分解运动，加入接触力与碰撞，最后把同样的定律带到轨道上。

[从这里开始 → **自由落体与重力测量** 采集几次下落，用相机记录的位置拟合重力加速度；再加入空气阻尼，看拟合结果怎样偏离真值。 观察 · 14 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/free-fall/)

1. [1 自由落体与重力测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/free-fall/)
2. [2 抛体飞行设计器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/projectile-flight/)
3. [3 斜面与摩擦](https://sandboxphysics.com/zh/labs/inclined-plane/)
4. [4 一维碰撞台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/collision-bench/)
5. [5 弹簧振子与周期标定](https://sandboxphysics.com/zh/labs/mass-spring/)
6. [6 轨道是怎样形成的](https://sandboxphysics.com/zh/labs/orbit/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/mechanics/#starter-path)