紫金山天文台等揭示原行星盘中旋涡形成的旋臂特征

10月18日，The Astrophysical Journal Letters (《天体物理学杂志快报》)在线发表了中国科学院紫金山天文台研究员季江徽课题组与合作者的研究成果，该项研究基于流体力学模拟，揭示原行星盘中旋涡形成的旋臂特征，对理解原行星盘非对称性结构成因具有科学意义。

原行星盘是环绕在年轻恒星周围，由气体和尘埃组成的气体盘。这些环绕恒星的原行星盘是行星的“诞生摇篮”，好比孕育行星的“胎盘”。原行星盘的半径通常可延伸到数百至上千天文单位（1天文单位约等于日地平均距离）。2014年9月，智利北部阿塔卡马沙漠高原上阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA)拍摄到一颗年轻恒星HL Tauri（距离我们约460光年）周围的气体和尘埃盘的图像，发现其附近的尘埃分布呈现一系列的清晰环状结构。之后，又陆续获得了许多其他年轻恒星周围的气体和尘埃盘的高分辨率图像。这些代表着行星形成区域的图像，有些是整齐的椭圆盘中夹着清晰的环状空带，有些则像微型的星系那样由旋臂组成开放的弧形。这些观测到的原行星盘的精细结构如何形成？它是行星的引力势在盘中激发密度波产生，抑或是盘自身的引力不稳定性所致？

近年来，ALMA观测到很多存在明显的方位非对称性结构的原行星盘尘埃连续谱图像。目前认为这类非对称结构源于行星盘中引发罗斯贝波不稳定性 (RossbyWave Instability)，在盘中产生反气旋的旋涡。在光学红外散射光及(亚)毫米波段的尘埃热辐射观测中，目前发现不少的原行星盘呈现大尺度的旋臂结构 (HD 142527, MWC 758, SAO 206462等)(图1)。

该研究通过流体动力学模拟，在原行星盘中触发罗斯贝波不稳定性，产生大尺度旋涡结构，进而旋涡产生密度波形成旋臂结构（图2）。这种旋臂的产生新机制不同于行星与原行星盘相互作用产生密度波而形成旋臂，但旋涡产生的旋臂强度与超级地球(4个地球质量)产生的旋臂强度类似（图3）。研究发现旋涡能产生多于4条旋臂结构，然而仅有2条是由于旋涡压缩流线产生的密度波形成。研究还表明旋涡激发旋臂的性质与旋涡的质量并无联系，分析了其各种特性，指出旋涡产生的旋臂的面密度对比度无法解释目前观测到具有明显旋臂结构的原行星盘(如MWC 758，SAO 206462等)，因此它们的旋臂结构不可能是由旋涡激发产生。该项研究为未来ALMA对原行星盘的旋臂高精度观测提供了重要科学依据。

该项研究工作第一作者为紫金山天文台博士生黄平辉，合作者包括加拿大维多利亚大学助理教授董若冰和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究员Hui Li课题组，该工作得到国家自然科学基金(11773081,11661161013,11633009, 11873097)、中科院创新交叉团队、中科院行星科学重点实验室等资助。

文章链接

图1 通过VLT/SPHERE 观测得到的MWC 758 的1.04 um 的红外散射光图像，看到MWC 758 呈现2 条明显的旋臂结构(粗虚白线)。而方块为模拟两颗行星所在的位置，由于行星产生的密度波从而形成了大尺度的旋臂结构 (Benisty等, 2015)。

图2 由罗斯贝波不稳定性产生的反气旋旋涡在原行星盘中激发旋臂结构，旋臂的激发机制与旋涡的质量无关。

图3 旋涡产生的旋臂强度与超级地球(4个地球质量)产生的旋臂强度类似。