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Sandbox Physics
从颗粒碰撞走到碎屑盘辐射证据

AC16 · L1

从一次碰撞,走到一条新的尘埃轨道

碎片继承母体速度,为什么仍会改变轨道?缺少的一步,是单位质量所受的力已经改变。

先选定一颗颗粒,再考虑图像

取半径为s、材料密度为rho的球形颗粒。质量按半径的三次方增加,投影吸收面积却只按二次方增加。固定恒星与距离,把辐射力除以引力,两者共有的距离平方反比就消掉了,留下无量纲的beta。

光学效率必须按入射恒星谱加权。本课程采用纯吸收的教学光学律和黑体恒星,所以动量效率等于吸收效率;真实散射会改变这个关系。beta并不是只要输入半径、就能脱离恒星与材料得到的普适数表。这里密度取每立方米2700千克,默认恒星具有太阳质量与光度。

m(s)=4π3ρs3,Frad=L⋆πs2⟨Qpr⟩4πr2cm(s)=\frac{4\pi}{3}\rho s^3,\qquad F_{\rm rad}=\frac{L_\star\pi s^2\langle Q_{\rm pr}\rangle}{4\pi r^2c}
吸收的光子动量给出辐射力,引力作用于整个颗粒质量。
β(s)=3L⋆⟨Qpr⟩16πcGM⋆ρs\beta(s)=\frac{3L_\star\langle Q_{\rm pr}\rangle}{16\pi cGM_\star\rho s}
距离因子消掉后,仍须对指定恒星谱计算平均光学效率。

对应阅读:REBOUNDx 5.1.0 · radiation forces and physical light speed

从圆轨母体释放

先让较大母体在半径r处,近似只受恒星引力而做圆周运动。碎片继承圆轨速度。释放后,辐射压立刻减弱它的中心吸引,却没有立刻减小继承的速度。把这个速度放入新的单位质量轨道能量,就能直接得到逃逸判据。

beta小于二分之一时,新的二体轨道仍有界,释放点成为近心点;等于二分之一时能量为零,更大时能量为正。这个常见阈值要求母体为圆轨、碎片速度踢动可忽略。偏心母体或带踢动的释放,应该检查实际位置和速度,不能习惯性套用同一阈值。

v02=GM⋆r,ϵβ=GM⋆r(β−12)v_0^2=\frac{GM_\star}{r},\qquad \epsilon_\beta=\frac{GM_\star}{r}\left(\beta-\frac12\right)
这是减弱后的中心势中的比能,尚未计入行星做功和PR拖曳。
aβ=r1−β1−2β,eβ=β1−β(0≤β<1/2)a_\beta=r\frac{1-\beta}{1-2\beta},\qquad e_\beta=\frac{\beta}{1-\beta}\quad(0\leq\beta<1/2)
先由能量求半长轴,再用继承的角动量求偏心率。

对应阅读:

完整例题:同一释放点,不同远游范围

在20天文单位处释放一颗beta为0.2、没有额外踢动的颗粒。新半长轴为26.7天文单位,偏心率为0.25;近心距仍为20,远心距却到达33.3。一圈母体本身就能供给更宽的尘埃光晕,无需额外行星。

若同样释放的颗粒beta为0.6,新的二体能量为正。它并不会在释放瞬间消失;计算继续跟踪,直到它越过声明的160天文单位外域边界。离去过程中,它仍可能为天图贡献热辐射。质量账本把这记为外域穿越,另用能量诊断说明穿越时是否无界。

这个例子提醒我们:宽光晕可以来自轴对称释放后的辐射动力学。看到盘外有尘埃,并不能直接认定行星把它散射了出去。先比较没有行星的预设,再讨论额外机制。

对应阅读:

破碎级联为什么可能接近某个斜率?

暂时放下有限释放,考虑理想稳态级联。假设相对速度与灾变强度不随粒径改变、碎片律自相似、主要由相近粒径的投射物破坏目标,而且供给与损失的尺度相隔很远。若每单位半径的颗粒数服从幂律,每个对数粒径区间的数量会多一个半径因子,质量再多三个。

目标的碰撞率等于同级数量密度乘截面与速度。用它乘该区间质量,可得沿尺度向下流动的质量率;要求它不随尺度改变,便得到七除以二,也就是三点五的指数。尺寸相关强度、最小粒径附近的辐射清除,以及跨很远尺度的碰撞,都可能改变推导。有限云团不因初始采用这个指数就自动达到了稳态。Dohnanyi的1968年报告区分了简化质量指数十一除以六与表III更完整的数值结果;其中质量指数1.837对应半径指数3.511。本章七除以二是声明的尺度极限,不是把原始碰撞模型一律说成精确3.5。

dNds∝s−q,Nln⁡s∝s1−q,Mln⁡s∝s4−q\frac{dN}{ds}\propto s^{-q},\qquad N_{\ln s}\propto s^{1-q},\qquad M_{\ln s}\propto s^{4-q}
对数区间比线性半径区间多一个半径因子。
tcoll−1∝s3−q,M˙ln⁡s∝s7−2q,q=72t_{\rm coll}^{-1}\propto s^{3-q},\qquad \dot M_{\ln s}\propto s^{7-2q},\qquad q=\frac72
只有在上述假设下,恒定质量流才选出这个斜率。

对应阅读:Stark & Kuchner 2009 · collisional grooming, fixed arXiv 0909.2227v1 · Dohnanyi 1968 · NASA-CR-99280, sections III–IV and Table III

实验真正初始化了什么?

生产实验包含八个已解析代表半径,约从0.173到379微米。初始有限释放谱采用相同的数值指数;这是给定初值,不是算出来的稳态。每个加权粒子携带物理颗粒数,总截面由初始法向光学厚度归一化,开始后不再持续注入。

随后,真实的灾变遭遇在粒径箱之间转移质量,辐射让颗粒在空间中分离,开放边界带走物质。下一章会明确写出每一笔转移。判断稳态级联,需要检验质量流是否稳定,以及改变初始斜率后是否仍趋近同一分布。

对应阅读:

不打开Lab也能检查的保存计算

太阳参数恒星,行星质量为太阳的0.003倍,圆轨半长轴13天文单位,初始法向光学厚度0.0003。八个粒径箱,384个初始加权粒子,RK4每行星周期128步,有限格灾变碰撞,每粒径箱128个压缩预算。代表记录经历了八个行星周期。

量保存结果解释
经过时间374.42 yr374.42\,\mathrm{yr}真实的有限积分时窗
加权碰撞事件590统计包事件,不是单颗粒事件数
最大法向光学厚度0.0019440.001944有限格柱密度估计
最大原始动能压缩跳变3.16%3.16\%显式速度矩校正之前
保守参照临界角范围4.6919 rad4.6919\,\mathrm{rad}独立150周期记录,不代表整个碰撞云

随机四周期加密比较中,850微米流量变化约0.7至4.0%,70微米约8.7至32%。质心与低阶密度矩变化足够大,不能把单个云团块作为已收敛的行星推断。独立保守参照只建立了指定初态、保存150周期窗内的临界角有界行为。

检查实际加密记录 · 检查全母体有限压力反例

预测释放光晕

  1. 载入无行星释放,比较大小颗粒,判断哪些能够离开160天文单位外域。
  2. 暂停时比较70与850微米,用截面和温度解释差别。

练习与解释性答案

  1. 圆轨母体在20天文单位释放beta为0.4的颗粒。预测半长轴、偏心率与远心距。

    展开解释

    半长轴为60天文单位,偏心率为三分之二,远心距为100;近心距仍是释放位置20。这个大范围远游无需行星散射。

  2. 每个对数粒径区间里的颗粒数相同,是否意味着每个区间质量相同?

    展开解释

    不相同。对数数量恒定对应指数为一,单颗粒质量仍随半径三次方增加,区间质量也随三次方增加。画直方图必须先说明是在数颗粒、数截面,还是数质量。

来源与计算范围

  1. Stark & Kuchner 2009 · collisional grooming, fixed arXiv 0909.2227v1

    核读原文第II.1至II.4、III与IV节,涉及局部率、格点噪声与碎片重分配边界。本题加权初值算子没有复现其稳态流求解器。

  2. REBOUNDx 5.1.0 · radiation forces and physical light speed

    官方力文档与例子;独立记录实际运行REBOUND 5.2.2 IAS15与REBOUNDx 5.1.0,采用真实光速PR,并将质心坐标转换到恒星坐标。

  3. Dohnanyi 1968 · NASA-CR-99280, sections III–IV and Table III

    1968年7月22日公开原报告,第IV节及表III区分理想质量指数十一除以六与数值碰撞斜率。后续论文为1969年5月15日JGR74,2531–2554,DOI10.1029/JB074i010p02531。本章推导受限的无尺度极限。

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