气体多了一种支撑自己的办法
一颗绕着年轻恒星运行的小石子,主要靠轨道运动与引力配合。气体还受到压强作用。若压强向外降低,向外的压力能承担一部分对抗引力的作用,气体便能比自由绕行的固体转得稍慢。
小石子迎面撞上较慢的气体,阻力带走它的轨道角动量,它的轨道便逐渐向内收缩。固体还没长成更大的天体,就可能已经漂向恒星。粒子大小相差很远。极小颗粒紧跟气体,较大的小石子则能相对气体明显移动。
对应阅读:Youdin & Goodman 2005, Streaming Instabilities, arXiv v1 · Youdin & Johansen 2007, Linear Evolution and Numerical Methods, v1
一座气压峰会反转推动方向
来到局部气压最高点的内侧,压强向外反而升高。这里的气体可以比自由绕行的固体转得更快,为小石子提供顺风,补给角动量,把它推向外侧。到了峰外,迎面风又把小石子带向内侧。两边的漂移因此指向同一区域。
气压结构本身也需要起因。行星可以造出它,盘中的其他过程也可能做到。先准备一个气体峰,就能单独问“结构已经存在以后,固体会怎样响应”。尘埃聚多少,得从运动算出来。
捕获也未必永久持续。混合会把物质摊开,气体结构可能演变,能送来多少固体还取决于它们与气体耦合的紧密程度。观察积尘时,最好把气体也一起看。
对应阅读:Youdin & Johansen 2007, Linear Evolution and Numerical Methods, v1 · Huang et al.2018, DSHARP II Annular Substructures, v1
尘埃也会推回去
阻力是双向的。气体拖慢小石子,小石子也会向反方向推气体。固体质量很少时,这一点影响不大;局部尘埃密度接近或超过气体以后,气体的轨道与径向运动会改变,后面赶来的固体也会因此改变漂移。
这种反馈还允许一种集体不稳定:微小的密度与速度扰动,从气尘相对漂移中获得能量,逐渐增长,称为流动不稳定性。最简单的线性模型也要让扰动同时沿径向和垂直方向变化,并保留三个速度分量。只谈径向“堵车”,会漏掉增长所需的运动。
最初的增长波幅很小。要跟到稠密团块,需要非线性计算;要判断团块是否塌缩,还要加入自引力。线性增长计算帮助我们理解其中一个阶段。
对应阅读:Youdin & Goodman 2005, Streaming Instabilities, arXiv v1 · Youdin & Johansen 2007, Linear Evolution and Numerical Methods, v1 · Li & Youdin 2021, Thresholds for Particle Clumping, v2
亮环告诉我们什么
ALMA 在年轻盘的毫米波发射中,看到了窄亮环与暗缝。观测直接给出的是亮度结构。若要换成尘埃含量,还需要温度、不透明度与光学厚度;要知道气体压强,又得再向前一步。
公开 DSHARP 数据中的 Elias24 剖面,是一个可以亲自读取的例子。环出现在实测径向强度里,与合成气尘实验分别保存。模型里相似的密度带,可以帮助我们提出捕获问题;解释真实盘的起因,则要继续比较其他观测。
后面的原文导读会从实测亮度,读到线性波,再读非线性聚团的阈值。每前进一步,都会增加一项物理,也增加一种检验办法。
对应阅读:ALMA DSHARP official data release and revised radial profiles · Huang et al.2018, DSHARP II Annular Substructures, v1 · Li & Youdin 2021, Thresholds for Particle Clumping, v2