基於ALMA觀測揭示了原行星盤的旋渦結構

近日，The Astrophysical Journal(《天體物理學雜誌》) 在線發表了中國科學院紫金山天文台研究員季江徽課題組與合作者的研究成果，該項研究基於行星與原行星盤中氣體、塵埃的相互作用模型，利用Atacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA）射電干涉陣的觀測數據，揭示了原行星盤中存在旋渦結構的證據。

近年來，ALMA觀測到大量存在明顯的方位非對稱性結構的原行星盤塵埃連續譜圖像(如 IRS 48, HD 142527, MWC 758等)。目前認為這類非對稱結構是由於原行星盤中通過大質量行星或盤粘滯的突降，令氣體物質堆積，進而引發羅斯貝波不穩定性（Rossby wave instability）而在行星盤中產生反氣旋的旋渦，導致塵埃粒子被困在極大壓強區域，形成塵埃連續譜的亮包。這種旋渦結構被認為是星子產生的搖籃。

類地行星與巨行星的內核誕生於原行星盤中，而原行星盤中的固體物質從亞微米級的塵埃碰撞生長到原行星胚胎和星子涉及非常複雜的物理過程。通常原行星盤中主要成分為氣體和塵埃，由於氣體存在壓力梯度，因此氣體對塵埃存在阻尼作用，進而造成塵埃損失軌道角動量，導致塵埃粒子不斷向內徑向偏移。這並不利於塵埃粒子從微米級生長到厘米級至米級大小的星子，即為所謂的徑向漂移障礙問題。另一方面，原行星盤中微米大小的塵埃通過布朗運動，在盤的垂直沉降、湍流混合及較差運動碰撞中可結合生長成厘米大小的塵埃。然而在這個碰撞結合的過程中，塵埃之間的相互碰撞未必能生長成更大的塵埃，相反有可能造成塵埃破碎成更小的粒子，這稱為碎裂障礙問題。一般認為，原行星盤中由羅斯貝波不穩定性產生的旋渦結構能夠克服這兩個障礙，將塵埃困在旋渦中心，使其進一步生長成更大的塵埃甚至星子。但是目前旋渦結構還只是一種理論假說，尚未為觀測所證實。

在該項研究中，科研人員通過大量的流體動力學模擬，塵埃輻射轉移計算，ALMA數據圖像處理，生成模擬的12CO氣體分子的發射譜線，計算12CO分子的徑向速度分布，確認了旋渦在原行星盤反氣旋速度場的痕迹（圖1-2）。這項研究對未來ALMA尋找原行星盤中的旋渦結構具有重要意義。

圖1 由羅斯貝波不穩定性產生的反氣旋旋渦在原行星盤中產生了大約0.3 km/s 和0.2 km/s的徑向和橫向的速度擾動，而該擾動可為ALMA 的0.1 km/s的速度解析度所分辨。

圖2 通過對比原行星盤中12CO J=3-2光譜發射線強度分布、速度分布和速度彌散的紅移和藍移部分，證實了反氣旋的旋渦結構可以通過ALMA觀測進一步確認。

來源：中國科學院紫金山天文台

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