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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

研究揭示原行星盤(pán)中四種流體不穩(wěn)定性共存機(jī)制下的星子形成

2025-06-16 紫金山天文臺(tái)

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語(yǔ)音播報(bào)

原行星盤(pán)是行星形成的搖籃，行星形成過(guò)程中塵埃的聚集和演化深受盤(pán)內(nèi)動(dòng)力學(xué)環(huán)境影響。星子是行星形成過(guò)程中的關(guān)鍵中間體，由細(xì)小塵埃顆粒和固態(tài)冰雪物質(zhì)聚集而成，其尺度通常為10³至10⁵米，被認(rèn)為是行星胚胎的前身。但當(dāng)前，行星形成模型在描述星子形成過(guò)程中存在較大不確定性。星子通過(guò)相互引力作用碰撞與并合，最終形成原始行星或行星內(nèi)核。但是，在“米級(jí)障礙”限制下，厘米級(jí)塵埃顆粒因范德華力較弱，導(dǎo)致粘附不足且受氣體壓強(qiáng)作用，進(jìn)而徑向漂移或塵埃自身碰撞碎裂，難以繼續(xù)增長(zhǎng)形成星子。經(jīng)典理論和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，穿流不穩(wěn)定性可在氣體-塵埃相互作用下，在局部促進(jìn)塵埃高度聚集，引發(fā)引力坍縮并形成星子。然而，原行星盤(pán)中普遍存在由流體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的湍流擾動(dòng)，被學(xué)界認(rèn)為會(huì)破壞穿流不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的星子形成。

近日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員黃平輝團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)教授白雪寧，通過(guò)高分辨率三維全局多流體模擬，揭示了原行星盤(pán)中四種流體不穩(wěn)定性共存并協(xié)同作用，可在真實(shí)湍流背景下有效促進(jìn)塵埃匯聚，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)星子形成。

研究人員基于磁流體代碼Athena++與自主開(kāi)發(fā)的多流體模塊，并使用自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)，開(kāi)展了大規(guī)模高分辨率的三維全局多流體模擬。研究首次展示了垂直剪切不穩(wěn)定性、穿流不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性以及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性四種不穩(wěn)定性在原行星盤(pán)中共存。盡管垂直剪切不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定程度的湍流，但它們不會(huì)削弱，反而通過(guò)協(xié)同作用顯著增強(qiáng)穿流不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)塵埃團(tuán)塊形成效率。

該研究表明，在原行星盤(pán)中，塵埃在真實(shí)復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)環(huán)境下可有效聚集，并突破傳統(tǒng)“米級(jí)障礙”形成星子。這一研究為理解星子及行星起源提供了重要理論支撐。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。

論文鏈接：1、2

?????三維全局多流體模擬展示垂直剪切不穩(wěn)定性、穿流不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性在原行星盤(pán)中可共存，形成多處高密度塵埃團(tuán)塊，為星子形成提供條件。

原行星盤(pán)是行星形成的搖籃，行星形成過(guò)程中塵埃的聚集和演化深受盤(pán)內(nèi)動(dòng)力學(xué)環(huán)境影響。星子是行星形成過(guò)程中的關(guān)鍵中間體，由細(xì)小塵埃顆粒和固態(tài)冰雪物質(zhì)聚集而成，其尺度通常為103至105米，被認(rèn)為是行星胚胎的前身。但當(dāng)前，行星形成模型在描述星子形成過(guò)程中存在較大不確定性。星子通過(guò)相互引力作用碰撞與并合，最終形成原始行星或行星內(nèi)核。但是，在“米級(jí)障礙”限制下，厘米級(jí)塵埃顆粒因范德華力較弱，導(dǎo)致粘附不足且受氣體壓強(qiáng)作用，進(jìn)而徑向漂移或塵埃自身碰撞碎裂，難以繼續(xù)增長(zhǎng)形成星子。經(jīng)典理論和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，穿流不穩(wěn)定性可在氣體-塵埃相互作用下，在局部促進(jìn)塵埃高度聚集，引發(fā)引力坍縮并形成星子。然而，原行星盤(pán)中普遍存在由流體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的湍流擾動(dòng)，被學(xué)界認(rèn)為會(huì)破壞穿流不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的星子形成。近日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員黃平輝團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)教授白雪寧，通過(guò)高分辨率三維全局多流體模擬，揭示了原行星盤(pán)中四種流體不穩(wěn)定性共存并協(xié)同作用，可在真實(shí)湍流背景下有效促進(jìn)塵埃匯聚，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)星子形成。研究人員基于磁流體代碼Athena++與自主開(kāi)發(fā)的多流體模塊，并使用自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)，開(kāi)展了大規(guī)模高分辨率的三維全局多流體模擬。研究首次展示了垂直剪切不穩(wěn)定性、穿流不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性以及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性四種不穩(wěn)定性在原行星盤(pán)中共存。盡管垂直剪切不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定程度的湍流，但它們不會(huì)削弱，反而通過(guò)協(xié)同作用顯著增強(qiáng)穿流不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)塵埃團(tuán)塊形成效率。該研究表明，在原行星盤(pán)中，塵埃在真實(shí)復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)環(huán)境下可有效聚集，并突破傳統(tǒng)“米級(jí)障礙”形成星子。這一研究為理解星子及行星起源提供了重要理論支撐。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）和《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。論文鏈接：1、2?????三維全局多流體模擬展示垂直剪切不穩(wěn)定性、穿流不穩(wěn)定性、羅斯貝波不穩(wěn)定性及開(kāi)爾文–亥姆霍茲不穩(wěn)定性在原行星盤(pán)中可共存，形成多處高密度塵埃團(tuán)塊，為星子形成提供條件。

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