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湍动原恒星盘中星子的快速形成

Rapid planetesimal formation in turbulent circumstellar disks.

作者信息

Johansen Anders, Oishi Jeffrey S, Mac Low Mordecai-Mark, Klahr Hubert, Henning Thomas, Youdin Andrew

机构信息

Max-Planck-Institut für Astronomie, Königstuhl 17, D-69117 Heidelberg, Germany.

出版信息

Nature. 2007 Aug 30;448(7157):1022-5. doi: 10.1038/nature06086.

DOI:10.1038/nature06086
PMID:17728751
Abstract

During the initial stages of planet formation in circumstellar gas disks, dust grains collide and build up larger and larger bodies. How this process continues from metre-sized boulders to kilometre-scale planetesimals is a major unsolved problem: boulders are expected to stick together poorly, and to spiral into the protostar in a few hundred orbits owing to a 'headwind' from the slower rotating gas. Gravitational collapse of the solid component has been suggested to overcome this barrier. But even low levels of turbulence will inhibit sedimentation of solids to a sufficiently dense midplane layer, and turbulence must be present to explain observed gas accretion in protostellar disks. Here we report that boulders can undergo efficient gravitational collapse in locally overdense regions in the midplane of the disk. The boulders concentrate initially in transient high pressure regions in the turbulent gas, and these concentrations are augmented a further order of magnitude by a streaming instability driven by the relative flow of gas and solids. We find that gravitationally bound clusters form with masses comparable to dwarf planets and containing a distribution of boulder sizes. Gravitational collapse happens much faster than radial drift, offering a possible path to planetesimal formation in accreting circumstellar disks.

摘要

在恒星周围气体盘中行星形成的初始阶段,尘埃颗粒相互碰撞并聚合成越来越大的天体。这个过程如何从米级巨石持续到千米级星子,是一个尚未解决的主要问题:巨石预计难以黏合在一起,并且由于来自旋转较慢气体的“逆风”,会在几百个轨道内螺旋坠入原恒星。有人提出固体成分的引力坍缩可以克服这一障碍。但即使是低水平的湍流也会抑制固体沉降到足够致密的中平面层,而且必须存在湍流才能解释原恒星盘中观测到的气体吸积现象。在此我们报告,巨石可以在盘的中平面局部过密区域经历有效的引力坍缩。巨石最初集中在湍流气体中的瞬态高压区域,并且这些聚集因气体和固体的相对流动驱动的流不稳定而进一步增大一个数量级。我们发现形成的引力束缚星团质量与矮行星相当,且包含不同大小巨石的分布。引力坍缩发生的速度比径向漂移快得多,这为吸积恒星周围盘中星子的形成提供了一条可能的途径。

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Rapid planetesimal formation in turbulent circumstellar disks.湍动原恒星盘中星子的快速形成
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