形成行星的新方法-数十年解谜？

艺术家用磁场线对原行星盘的印象。

在过去的25年中，科学家们已经发现了超过4000个行星，它们位于我们太阳系的边界之外。从相对较小的岩石和水上世界到炽热的天然气巨人，这些行星展现出惊人的多样性。这种变化并不意外。科学家用来研究行星形成的复杂计算机模型也产生了截然不同的行星。这些模型更难解释的是观察到的围绕其他恒星发现的行星的质量分布。大多数都属于中等质量的范畴，即质量为几个地球质量到海王星周围质量的行星。即使在太阳系的背景下，天王星和海王星的形成仍然是一个谜。苏黎世大学和剑桥大学的科学家与瑞士NCCR PlanetS相关联，现已提出了另一种解释，该解释得到了全面模拟的支持。他们的结果发表在科学杂志自然天文学上。

两种对比力…

“当行星由所谓的气体和尘埃的原行星盘形成时，引力的不稳定性可能是驱动机制，”苏黎世大学的研究合著者，计算天体物理学教授，NCCR行星成员卢西奥·梅耶（Lucio Mayer）表示，解释。在此过程中，磁盘中的灰尘和气体由于重力而聚集在一起，并形成致密的螺旋结构。然后，它们成长为行星构造块，最终成为行星。

发生此过程的规模非常大–跨越原行星盘的规模。“但是在更短的距离上（单行星的规模），另一种力量占主导地位：磁场沿着行星发展。”梅耶阐述道。这些磁场搅动了磁盘上的气体和灰尘，从而影响了行星的形成。为了全面了解行星形成过程，重要的是不仅要模拟磁盘中的大型螺旋结构。该研究的主要作者，梅耶尔的前博士生，现在是剑桥大学邓洪平研究员，该研究的主要作者说。

…很难同时掌握的东西

但是，重力和磁力的大小和性质的差异使这两个力很难集成到相同的行星形成模型中。到目前为止，计算机模拟通常很好地捕捉了其中一种作用力的效果，而对另一种作用通常效果不佳。为了获得成功，团队开发了一种新的建模技术。这需要在许多不同领域的专业知识：首先，他们需要对重力和磁力都有深刻的理论理解。然后，研究人员必须找到一种方法，将理解转化为可以有效地统一计算这些反作用力的代码。最后，由于大量必要的计算，因此需要一台功能强大的计算机，例如瑞士国家超级计算机中心（CSCS）的“ Piz Daint”。Lucio Mayer说：“除了理论上的见识和我们开发的技术工具之外，我们还依赖于计算能力的提高。”

几十年前的难题解决了吗？

面对困难，一切都在正确的时间汇聚在一起并实现了突破。“通过我们的模型，我们能够首次证明磁场使成长中的行星难以继续积累超过一定点的质量。结果，巨型行星变得越来越稀少，中等质量的行星变得更加频繁，这与我们在现实中观察到的相似。

“这些结果只是第一步，但它们清楚地表明了在行星形成模拟中考虑更多物理过程的重要性。我们的研究有助于了解在我们的银河系中非常常见的形成中间质量行星的潜在途径。这也有助于我们大致了解原行星盘。”研究合著者，苏黎世大学理论天体物理学教授，NCCR PlanetS成员得出结论说，Ravit Helled总结道。

参考：邓洪平，卢西奥·梅耶尔和拉维特·海勒德通过磁控盘碎裂形成中等质量行星，2021年2月11日，自然天文学。DOI：
10.1038 / s41550-020-01297-6