林彥興
雖然大多數人都會同意，行星是恆星形成過程中通過從原行星盤（Protoplanetary Disk, PPD）吸積物質所形成的，但行星形成的詳細機制，目前仍然是天文物理中相當活躍的研究領域之一。
行星形成的一個關鍵問題是，如何在原行星盤的有限壽命之內，讓塵埃顆粒從次微米/奈米級的大小，長大到公里級的微行星（Planetesimal，能通過自身重力有效吸積氣體和塵埃的天體）。
控制微行星是否能形成的關鍵物理過程有兩個，分別是塵埃的「成長 Growth」與「飄移 Drift」，兩者分別對應一個時間尺度 $t_{\rm grow}$ 和 $t_{\rm drift}$。
成長時間尺度相對直觀，基本上塵埃顆粒越多，它們的生長速度就越快。
而飄移時間尺度則比較複雜。首先我們要知道，在原行星盤上，塵埃是以所謂的「克卜勒速度 Keplerian velocity」，也就是大家高中學過的 $v = \sqrt{GM/r}$ 在繞行原恆星的。但氣體不一樣，由於氣體在徑向有壓力梯度提供的額外支撐，因此氣體其實會以所謂的「次克卜勒速度 sub-Keplerian velocity」，也就是比克卜勒速度稍微慢一點的速度繞行。
所以對塵埃來說，它們在軌道上前進時，其實會受到來自氣體的阻力並損失角動量，最終導致塵埃向內飄移並落入恆星。
歷史上，行星形成理論的一個重大難題在於，給定標準的原行星盤氣體與塵埃分佈，塵埃的飄移的速度通常遠快於成長速度。這意味著塵埃還來不及長成微行星就會被送進恆星之中。然而，近年來，「塵埃陷阱 Dust Trap」的概念被證明是一種可行的機制，能夠促進塵埃的快速生長。
當 PPD 因為各種磁流體力學效應或是盤中存在的系外行星而形成空隙（gap）時，原本由外而內增加的氣體壓力結構，會因為空隙的存在而改變，使得空隙的外側會出現一個壓力梯度為零的區域。一但壓力梯度為零，氣體就會跟塵埃一樣以克卜勒速度繞行，塵埃也就因為不受氣體的阻力而停止向內飄移，從而使塵埃在環中聚集，這個結構（或說機制）就被稱為塵埃陷阱。而當塵埃密度大幅增加，就可以讓塵埃快速長大，最終形成微行星。
然而，行星形成的許多方面仍然是未解之謎。在觀測方面，ALMA 將繼續幫助我們通過光譜了解塵埃的特性，特別是塵埃的顆粒大小分佈。此外，像 GRAVITY 這樣的近紅外干涉儀和光譜儀，可以通過散射光探測原行星盤最內部的區域。在理論方面，目前關於塵埃生長的理論（如上所述）大多假設塵埃是固體且球形的，但實際上真正的塵埃往往是多孔（porous）的。準確地模擬塵埃的多孔性，將成為未來幾年最重要的研究方向之一。
留言
張貼留言