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第 卷　第 期 天 文 学 进 展 年 月 行行行星星星形形形成成成数数数值值值模模模拟拟拟的的的研研研究究究现现现状状状与与与未未未来来来需需需求求求 ：：：原原原行行行星星星盘盘盘中中中的的的气气气体体体与与与尘尘尘埃埃埃动动动力力力学学学 白雪宁 理论与计算研究所 哈佛史密松天体物理中心，剑桥 ，美国 摘要：行星在气态的原行星盘中形成，而行星形成的全过程几乎都与原行星盘中气体与尘埃的动 力学密不可分。原行星盘中气体与尘埃的动力学过程涉及包括非理想磁流体、化学、热辐射、非 热辐射、空气阻力等诸多效应的作用以及它们之间的相互耦合，因而关于行星形成问题的研究往 往需要进行数值模拟，并对计算工具有着很高的要求。对研究行星形成问题所涉及的物理过程进 行概述，简要介绍这些研究中主要使用的数值方法算法，以及国际上与之相关的必威体育精装版进展。最 后，对未来行星形成领域的发展及其对数值工具的需求作以展望。 关 键 词：数值方法；原行星盘；磁流体力学；辐射转移；天体化学；不稳定性；系外行星 中中中图图图分分分类类类号号号：：： 文文文献献献标标标识识识码码码：：： 引 言 近20 年以来，天文学家对系外行星的探测取得了长足的进展，尤其在开普勒望远镜升 空后，已知的系外行星数目获得了前所未有的快速增长 。系外行星系统呈现出很多异于太 阳系行星系统的多样性，这也令人们对行星及行星系统的形成、演化以及特性燃起极大的热 情。然而，相对于行星的探测，关于行星形成的理论研究在基础层面上始终存在很多未解疑 团，从而在根本上妨碍了我们对行星形成及其后继演化的基本认识。尽管通过唯象理论能够 在一定程度上解释观测结果，但这些解释往往很难令人完全信服。 行星在原行星盘(protoplanetary disk，简称PPD) 中形成。PPD 是恒星形成初期围绕 原恒星运动的气体盘，其质量约为恒星质量的1%，尺度在几十到几百天文单位(AU)，存在 时间尺度在几百万年 。PPD 中大约1% 的质量是尘埃，这些尘埃则是形成行星的“原材 料”。行星的形成大致可分为尘埃生长、星子形成、星子生长、核吸积等几个阶段 。与此同 收稿日期： ； 修回日期： 资助项目：哈佛大学理论与计算研究所 通讯作者：白雪宁， 期期期 白雪宁：原行星盘中的气体与尘埃动力学白雪宁：原行星盘中的气体与尘埃动力学白雪宁：原行星盘中的气体与尘埃动力学 时，行星(胚胎，亦称核) 同气体盘的相互作用会导致行星的迁移。所有这些阶段均在PPD 中完成，而PPD 的结构与演化，以及其中发生的物理过程(尤其是盘中气体的大尺度运动及 湍流的强度)，则对行星的形成产生直接的影响，甚至起到决定性的作用。 PPD 中的角动量转移机制，包括盘中的不稳定性与湍流，是决定结构和演化的核心问 题。在这里，磁场扮演着至关重要的角色：目前的研究表明角动量转移几乎必须由磁场的作 用主导 。由于盘中的电离率很低，盘的热力学与化学过程决定了磁场与气体的耦合程度， 进而影响其气体动力学。同时，热力学与化学过程直接决定了盘的观测特征，并直接关乎新 形成行星的组成成分。尘埃在PPD 中扮演多重角色。一方面，它们通过碰撞粘合而最终成 为行星形成的基本组分；另一方面，尘埃通过其不透明度影响盘的辐射转移及热力学，同时 尘埃也是很多化学作用的载体。 总之，行星形成同PPD 中气体与尘埃的动力学密切相关，其中的物理过程又涉及到盘 内外的磁场、辐射，以及宇宙线同气体与尘埃的耦合与相互作用。由于问题的复杂性，行星 形成的基础性研究对磁流体数值模拟有强烈的需求，辅之以辐射转移的计算。本文为中国科