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王欣明:提出原行星盘演变新算法
时间:2023-07-18 16:32:54来源:中国科学报点击:

太阳系缘起何处?地球等行星又是如何形成?如果要回答这些问题,我们的目光可能就要穿越浩瀚宇宙的变迁,追溯到太阳、行星及其他恒星、行星系统的初始状态,“星云假说”、原行星盘就会进入我们的视野。

在原行星盘如何演变形成行星的研究中,西安电子科技大学物理学院讲师王欣明提出了一种新的原行星盘演变计算方法,其研究成果近期在国际天文学及天体物理学领域顶级期刊《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)发表。这项研究成果获得国家自然科学基金和国际合作平台的支持。

西安电子科技大学讲师王欣明博士。受访者供图

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《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)封面。

行星诞生的摇篮

行星的形成、原行星盘的演变、太阳系的起源,这些看起来浪漫又神秘的领域是王欣明目前的研究范畴。

什么是原行星盘?行星又如何形成?

在年轻恒星的周围,由气体和尘埃组成的气体盘被称为原行星盘,它被视作“行星的摇篮”。

以太阳系为例。此前学界普遍认为,大约在距今46亿年前,太阳系所在的地方还只是一片漂浮在宇宙中充满气体和尘埃的分子云。当它坍缩后,中心气体形成原初太阳,残余物质围绕中心旋转形成一个扁平的圆盘,即原行星盘。行星也就孕育其中。

原行星盘的艺术想象图 。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

自20世纪中期以来,关于行星形成的问题,最为广泛接受的理论认为原行星盘中的尘埃颗粒会互相碰撞、粘连在一起,构成岩石状的天体,称为“星子”。这些星子会持续不断地长大,最终成为行星核。

“如果行星核生长得足够快、质量足够大,就会依靠自身引力把盘中剩余的气体攫取过来,成为像木星和土星这样的巨行星;而如果行星核的质量不够大,就会形成比较小的、由岩石构成的行星,例如地球。” 王欣明讲解说。

然而,随着越来越多的太阳系外行星被观测到,人们发现行星系统呈现出了多样性和复杂性的特征。

作为“行星摇篮”的原行星盘对行星系统的特征会产生怎样的影响?王欣明决定一探究竟。

一个问号的8年探究

“原行星盘的自身引力是否会影响盘的结构,进而影响行星的形成?”

仿佛流星突然划过夜空,这样的问题曾突然在王欣明的脑海里蹦了出来。

在原有的原行星盘演变研究中,学界研究者们大多关注于恒星及原行星盘的“青壮年”时期,但对“婴幼儿”或者“少年”时期却关注较少。

“原有原行星盘面密度演变方程没有考虑盘的自身引力,这用于研究晚期原行星盘是足够合理的,因为那时候的恒星经过长时间的吸积,质量很大,但原行星盘质量很小,约为恒星的1%,其引力只能产生很小的扰动,可以忽略不计。”这是天体物理学界普遍的认知观点。

然而,在阅读文献的过程中,王欣明却发现有的原行星盘质量达到甚至超过了恒星的10%,此时原行星盘的自身引力就不可以再被忽视了。

这样就可以从此点揭示出原行星盘中气体偏离开普勒运动的细节。

“由于之前的知识积累,包括对原行星盘研究的关注,我觉得这个问题应该很好解答,可以试试。”2015年,王欣明信心满满地开始了自己对原行星盘演变的新的验证,在原有一维原行星盘演变以面密度为主要计算内容的方程式中,试图加入新的因素,以验证他对于“可以揭示气体偏离开普勒运动细节”的猜想,“我当时觉得,一年时间就能得出结论”。

但是,实际的演算却并不像王欣明想的那么简单。尝试、失败、尝试、失败……一年、两年、三年,他试验的各种方案最终都未能完成他的期待……即便如此,他却从未想过放弃。

“就是好奇,我就想看看最后到底能算出什么样的结果,就算最后的结果很普通,不那么重要,那也是有一个答案。”,王欣明坚持8年反复尝试推算。

在不断试错的过程中,流体力学的基本原理仿佛一颗“幸运星”闯进了王欣明的视野,思路也随之打开。

在计算原行星盘面密度的同时,王欣明成功引入了角速度、径向速度和温度的计算,以更为全面的方程组的形式解答原行星盘结构随时间推移产生的变化。同时,也揭示气体偏离开普勒运动的细节。

新的原行星盘演变算法

最初期,随着分子云核的坍缩,原行星盘和恒星开始形成并共同成长。此时,恒星的质量还并不大,原行星盘质量较易出现达到甚至超过恒星质量10%的情况,原行星盘自身的引力就会对盘的演变产生影响,王欣明解释道:“我把原行星盘按照盘自身引力的强弱分了三类,第一类是引力很小,可以忽略不计;第二类是中等引力,这时候可以在原行星盘内产生旋臂,能够起到输运角动量的作用;第三类是我着重研究的类型,引力很强的原行星盘,会导致在半径某一个区间内,原行星盘里的气体和尘埃因为引力而聚集在一起,并永远这么‘抱团’。”

引力的“加盟”仿佛打开了王欣明的“任督二脉”,但从只考虑面密度的方程式,到全面考虑面密度、角速度、径向速度和温度的方程组,计算的数量和难度都呈指数级的增长。

“新的演变模型要考虑原行星盘自身引力和分子云核坍缩的影响,所以推导了原行星盘的演变方程组。这一方程组是一组非线性偏微分方程,只能通过数值方法进行求解,因此我编写了数值计算程序”,王欣明轻描淡写提到的数值计算程序由他自己编写完成。得益于这样的求解方程工具,计算变得没有那么复杂。

其后,王欣明顺利地通过数值求解方程组得到了盘结构的演变、盘中物质偏离开普勒运动的细节等结果。

在这一新的原行星盘演变模型中,由于加入了更多考量因素,王欣明意外地发现了演变过程中的新现象,比如,高密度区域的形成,高密度区域和原行星盘内部之间形成的空隙。这一空隙的形成机制与原有研究中的并不相同,“之前发现的空隙的形成多是基于原行星和原行星盘的相互作用,新的演变方程组的计算结果表明,原行星盘自身引力也可以导致空隙的形成,这对原行星盘和行星形成的观测会提供一些不同的思路”。

在此之前,观测到原行星盘中的空隙时,研究者会思考去寻找导致空隙产生的原行星,但王欣明这一新的原行星盘演变计算结果却为此提供了一种新的可能:当原行星盘中空隙的观测并不能引导找到原行星时,很有可能是盘自身引力的影响。

原行星盘面密度的演变。受访者供图

“科学研究就是这样,会有很多突发奇想,会有很多失败,也会有很多惊喜和意外收获,可能这就是做科研的魅力所在。”对王欣明而言,他早已将小时候夜晚抬头仰望星空的憧憬积淀为内心对天体物理学的热爱和坚持。

浩瀚宇宙还有太多未解之谜,王欣明愿意一直做一个不断去寻找答案、探索未知的人。(作者:王格 张行勇)


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王欣明:提出原行星盘演变新算法
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太阳系缘起何处?地球等行星又是如何形成?如果要回答这些问题,我们的目光可能就要穿越浩瀚宇宙的变迁,追溯到太阳、行星及其他恒星、行星系统的初始状态,“星云假说”、原行星盘就会进入我们的视野。

在原行星盘如何演变形成行星的研究中,西安电子科技大学物理学院讲师王欣明提出了一种新的原行星盘演变计算方法,其研究成果近期在国际天文学及天体物理学领域顶级期刊《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)发表。这项研究成果获得国家自然科学基金和国际合作平台的支持。

西安电子科技大学讲师王欣明博士。受访者供图

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《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)封面。

行星诞生的摇篮

行星的形成、原行星盘的演变、太阳系的起源,这些看起来浪漫又神秘的领域是王欣明目前的研究范畴。

什么是原行星盘?行星又如何形成?

在年轻恒星的周围,由气体和尘埃组成的气体盘被称为原行星盘,它被视作“行星的摇篮”。

以太阳系为例。此前学界普遍认为,大约在距今46亿年前,太阳系所在的地方还只是一片漂浮在宇宙中充满气体和尘埃的分子云。当它坍缩后,中心气体形成原初太阳,残余物质围绕中心旋转形成一个扁平的圆盘,即原行星盘。行星也就孕育其中。

原行星盘的艺术想象图 。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

自20世纪中期以来,关于行星形成的问题,最为广泛接受的理论认为原行星盘中的尘埃颗粒会互相碰撞、粘连在一起,构成岩石状的天体,称为“星子”。这些星子会持续不断地长大,最终成为行星核。

“如果行星核生长得足够快、质量足够大,就会依靠自身引力把盘中剩余的气体攫取过来,成为像木星和土星这样的巨行星;而如果行星核的质量不够大,就会形成比较小的、由岩石构成的行星,例如地球。” 王欣明讲解说。

然而,随着越来越多的太阳系外行星被观测到,人们发现行星系统呈现出了多样性和复杂性的特征。

作为“行星摇篮”的原行星盘对行星系统的特征会产生怎样的影响?王欣明决定一探究竟。

一个问号的8年探究

“原行星盘的自身引力是否会影响盘的结构,进而影响行星的形成?”

仿佛流星突然划过夜空,这样的问题曾突然在王欣明的脑海里蹦了出来。

在原有的原行星盘演变研究中,学界研究者们大多关注于恒星及原行星盘的“青壮年”时期,但对“婴幼儿”或者“少年”时期却关注较少。

“原有原行星盘面密度演变方程没有考虑盘的自身引力,这用于研究晚期原行星盘是足够合理的,因为那时候的恒星经过长时间的吸积,质量很大,但原行星盘质量很小,约为恒星的1%,其引力只能产生很小的扰动,可以忽略不计。”这是天体物理学界普遍的认知观点。

然而,在阅读文献的过程中,王欣明却发现有的原行星盘质量达到甚至超过了恒星的10%,此时原行星盘的自身引力就不可以再被忽视了。

这样就可以从此点揭示出原行星盘中气体偏离开普勒运动的细节。

“由于之前的知识积累,包括对原行星盘研究的关注,我觉得这个问题应该很好解答,可以试试。”2015年,王欣明信心满满地开始了自己对原行星盘演变的新的验证,在原有一维原行星盘演变以面密度为主要计算内容的方程式中,试图加入新的因素,以验证他对于“可以揭示气体偏离开普勒运动细节”的猜想,“我当时觉得,一年时间就能得出结论”。

但是,实际的演算却并不像王欣明想的那么简单。尝试、失败、尝试、失败……一年、两年、三年,他试验的各种方案最终都未能完成他的期待……即便如此,他却从未想过放弃。

“就是好奇,我就想看看最后到底能算出什么样的结果,就算最后的结果很普通,不那么重要,那也是有一个答案。”,王欣明坚持8年反复尝试推算。

在不断试错的过程中,流体力学的基本原理仿佛一颗“幸运星”闯进了王欣明的视野,思路也随之打开。

在计算原行星盘面密度的同时,王欣明成功引入了角速度、径向速度和温度的计算,以更为全面的方程组的形式解答原行星盘结构随时间推移产生的变化。同时,也揭示气体偏离开普勒运动的细节。

新的原行星盘演变算法

最初期,随着分子云核的坍缩,原行星盘和恒星开始形成并共同成长。此时,恒星的质量还并不大,原行星盘质量较易出现达到甚至超过恒星质量10%的情况,原行星盘自身的引力就会对盘的演变产生影响,王欣明解释道:“我把原行星盘按照盘自身引力的强弱分了三类,第一类是引力很小,可以忽略不计;第二类是中等引力,这时候可以在原行星盘内产生旋臂,能够起到输运角动量的作用;第三类是我着重研究的类型,引力很强的原行星盘,会导致在半径某一个区间内,原行星盘里的气体和尘埃因为引力而聚集在一起,并永远这么‘抱团’。”

引力的“加盟”仿佛打开了王欣明的“任督二脉”,但从只考虑面密度的方程式,到全面考虑面密度、角速度、径向速度和温度的方程组,计算的数量和难度都呈指数级的增长。

“新的演变模型要考虑原行星盘自身引力和分子云核坍缩的影响,所以推导了原行星盘的演变方程组。这一方程组是一组非线性偏微分方程,只能通过数值方法进行求解,因此我编写了数值计算程序”,王欣明轻描淡写提到的数值计算程序由他自己编写完成。得益于这样的求解方程工具,计算变得没有那么复杂。

其后,王欣明顺利地通过数值求解方程组得到了盘结构的演变、盘中物质偏离开普勒运动的细节等结果。

在这一新的原行星盘演变模型中,由于加入了更多考量因素,王欣明意外地发现了演变过程中的新现象,比如,高密度区域的形成,高密度区域和原行星盘内部之间形成的空隙。这一空隙的形成机制与原有研究中的并不相同,“之前发现的空隙的形成多是基于原行星和原行星盘的相互作用,新的演变方程组的计算结果表明,原行星盘自身引力也可以导致空隙的形成,这对原行星盘和行星形成的观测会提供一些不同的思路”。

在此之前,观测到原行星盘中的空隙时,研究者会思考去寻找导致空隙产生的原行星,但王欣明这一新的原行星盘演变计算结果却为此提供了一种新的可能:当原行星盘中空隙的观测并不能引导找到原行星时,很有可能是盘自身引力的影响。

原行星盘面密度的演变。受访者供图

“科学研究就是这样,会有很多突发奇想,会有很多失败,也会有很多惊喜和意外收获,可能这就是做科研的魅力所在。”对王欣明而言,他早已将小时候夜晚抬头仰望星空的憧憬积淀为内心对天体物理学的热爱和坚持。

浩瀚宇宙还有太多未解之谜,王欣明愿意一直做一个不断去寻找答案、探索未知的人。(作者:王格 张行勇)


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