分子云核性质对气态巨行星最终质量的影响
发布时间：2018-01-14 16:31
本文关键词：分子云核性质对气态巨行星最终质量的影响 出处：《吉林大学》2015年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：目前为止，接近1900颗太阳系外行星已经被确认。对系外行星的观测揭示了行星系统结构是多种多样的，而且行星质量的多样性尤其值得关注。观测发现气态巨行星的质量区间是非常宽的，有些气态巨行星的质量只有木星质量的0.3倍，而有些行星的质量可达木星质量的20倍。令人感到困惑的是，多数气态巨行星的质量小于3倍木星质量并且只有极少数的巨行星质量超过10倍木星质量。观测数据还揭示出绕低质量恒星运行的巨行星数目远少于绕太阳质量恒星运行的巨行星数目。这似乎意味着巨行星的观测几率随恒星质量的增加而增大。长久以来，我们对巨行星形成的认识仅仅局限于我们生活的太阳系内的四颗巨行星。随着太阳系外行星观测的进步，人们越来越对系外行星的多样性起源问题感兴趣。 气态巨行星质量的多样性表明行星形成的环境应该是非常复杂的。行星是恒星形成过程的副产物，它是在原行星盘中形成的。因此，人们首先认识到恒星的物理性质对行星的形成有不可忽视的影响。研究发现恒星的金属丰度不仅关系到巨行星的形成几率还影响到巨行星内重元素的丰度。近年来兴起的行星族合成研究致力于探索原行星盘多样性和行星多样性之间存在的可能的联系。由于原行星盘和行星形成的演化是同时进行的并且各自包含了一系列复杂的物理过程，因此，行星族合成所依赖的模型进行了大量的简化。一方面简化了行星的形成过程，例如假定星子的形成过程非常迅速从而忽略了星子的形成。另一方面极大地简化了原行星盘的演化过程，例如使用最小质量星云模型或者半分析的拟合公式模拟原行星盘面密度的演化。通过简化虽然使得理论研究在可接受的时间范围里得以进行下去，但是过度的简化也使得一些重要的物理因素对行星形成的影响被淹没了。例如原行星盘演化的初始条件是认为假定的。即假定原行星盘的初始总质量或者初始面密度分布、盘的尺寸以及演化的时间尺度。这样给出的原行星盘演化过程很有可能不符合其本身实际的演化过程。另外，行星在形成过程中反过来也要对原行星盘的演化产生重要影响。行星族合成使用的简化模型并不包含这样的反馈机制。因此，行星族合成始终不能自洽地解释太阳系外行星多样性的问题。 在这篇论文中，我们主要研究了气态巨行星是如何在原行星盘中生长的并且探索分子云核的性质是如何决定了气态巨行星的最终质量。我们认为，太阳系外行星的多样性可能来自分子云核的多样性。为此，我们首先基于核吸积模型建立了一个自洽的气态巨行星生长的模型，这个模型既模拟原行星核的生长过程又包括了气体吸积到核上的过程。这两个演化过程都与原行星盘的物理性质密切相关。我们采用的原行星盘演化模型是一维的长时演化模型，这是目前模拟原行星盘长时演化唯一的可行方式。我们的原行星盘演化模型从分子云核的塌缩开始计算，因此包含了分子云核的物理性质对原行星盘的物理性质的影响。 我们发现，在原行星盘的不同位置，巨行星的演化行为显著不同。在小于3AU范围内，原行星的固体核太小了以至于不能触发气态快吸积。因此，行星的质量主要由固体核的质量决定并且他们的质量非常小。由于固体核的质量随盘半径的增加而增大，行星的质量相应地随盘半径的增加而增大。在3AU处，原行星在盘寿命内恰好具有足够的质量触发气体的快吸积。行星的质量急剧地增大。在3-5AU范围内，原行星核的质量随盘半径的增加而增大，因而行星气体包层的准静态生长速率逐渐地增大并且气体快吸积的出发逐渐提前。由此导致气态巨行星的质量随盘半径逐渐增大。在5-20AU范围内，行星具有足够的质量形成深空隙。这时行星的质量上线由原行星盘的粘滞决定。它们的最终质量大约是2倍木星质量并且变化幅度非常小。在20-37AU范围内，行星的质量随盘半径的增加快速地减小。由于原行星核的生长速率不断减小，气体快吸积的出发不断地推迟，因此行星没有充足的时间获得足够的质量形成深空隙。超过37AU后，原行星盘中固体和气体的面密度随盘半径的增加迅速减小。因此，原行星核的生长速率不断减小。行星只能获得很少量的气体，因此它的最终质量非常小。 我们提出了一个在核吸积模式下“超级木星”的形成机制。超级木星的形成条件是当原行星周围形成深度的空隙时，原行星盘处于引力不稳定的状态（高粘滞状态）。我们的计算显示超级木星的质量上限、半长轴范围和它的出现几率随中心恒星质量的增加而增加。我们认为类木行星和“超级木星”的形成机制本质上是相同的，只是超级木星在大质量恒星周围更容易形成。而普通的气态巨行星则广泛地分布在各种质量的恒星周围。 与系外行星的观测作比较，我们的模型能够解释观测到的气态巨行星的质量范围和最可几质量。我们的计算解释了观测到的巨行星在大于1AU处聚集和在0.05 1AU处明显缺乏的特征。我们从理论上推断，气态巨行星在20AU以外很难形成而在15 30AU范围内普遍存在的是中等质量的行星。随着行星观测技术的进步，我们的推断可能会被未来的行星探测所证实。
[Abstract]:The observations reveal that the mass range of giant planets is very wide , and that the mass of some planets is only 0.3 times the mass of Jupiter , and that the mass of some planets can reach 20 times the mass of Jupiter . It seems to be confusing that most gaseous macroplanets have a mass of less than 3 times the mass of Jupiter and that some planets have a mass of less than 10 times the mass of Jupiter . In recent years , it is believed that the evolution of the star is not only related to the formation of the giant planets but also the abundance of the heavy elements in the giant planets . In this paper , we mainly studied how the gaseous giant planets were grown in the original planetary disc and explored the ultimate quality of the gaseous giant planets . We believe that the diversity of the outer planets of the solar system may be derived from the diversity of the nuclear species . In the range of 3 - 5AU , the mass of the planet is increased rapidly with the increase of the radius of the disc . The mass of the planet is increased rapidly with the increase of the radius of the disc . We propose a mechanism for the formation of " super - Jupiter " in nuclear - accretion mode . The formation conditions of super - Jupiter are the state of gravitational instability ( high viscous state ) when the depth is formed around the original planet . Our calculations show that the quality upper limit , the half - axis range and the probability of its occurrence increase with the increase of the mass of the central star . We believe that the formation mechanism of the quasar and " super - Jupiter " is essentially the same , but the super - Jupiter is more easily formed around the mass of stars . And the common gaseous giant planets are widely distributed around the stars of various masses .
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本文编号：1424403
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