原行星盘诞生记:是她孕育了行星,可她又从哪里来?(8)

2023-04-29 来源:飞速影视
在原恒星核塌缩过程中,角动量守恒会使转动加速,磁力线也因此被缠绕得越来越紧。它在反抗过程中会向气体施加反作用力,反抗这种加速旋转。这一过程被称为磁制动(magnetic braking)。磁制动使得塌缩中的气体的角动量被磁场带走,因而气体得以继续塌缩。值得一提的是,磁制动的效应曾被瑞典科学家,磁流体力学的先驱,诺贝尓物理学奖获得者阿尔文(Hannes Alfvén)用于解释“星云假说”中的角动量问题,但当时的关注点在于原初太阳同盘之间的角动量转移,走偏了方向。
然而,磁制动的一个后果是,由于角动量被磁场带走(注意,这里总的角动量仍是守恒的),气体的转动被极大削弱。数值模拟中发现,这时气体包层以近乎自由落体的方式直接塌缩到原恒星,而根本无法形成盘[7]! 若果真如此,便不再会有超凡脱俗的科学家去研究行星科学,因为不再会有行星,也不再会有人类了。也许是造物主给我们开了个玩笑?

原行星盘诞生记:是她孕育了行星,可她又从哪里来?


图8. 原行星盘形成的在典型参数下的数值模拟结果,左为理想磁流体情形,中间两幅为非理想磁流体(但相反磁场极性)情形,右为无磁场情形。图片来源:参考文献[8]
近年来,更深入的研究表明,磁场并不是完美地跟物质耦合。一方面,分子云和包层中的气体不是完全电离的,事实上,他们的电离程度很低。由于只有带电的粒子才能跟磁场耦合,大量的中性分子(主要是氢气分子)能够自主行动而不受磁场影响,只是偶尔同带电粒子碰撞才“间接地”感受到磁场的存在。
另一方面,前面提到,分子云中存在湍流,携带磁场的湍流在其混乱的运动中可将小尺度的磁场耗散掉,等效地降低了磁场与气体的耦合程度。在这些微观效应的共同作用下,磁制动不再如此高效,盘的形成在理论上重新成为了可能(图8)。
然而,盘形成的结果敏感地依赖于这些微观物理作用的细节[9]。同时,前面提到恒星在分子云中是批量形成的,每个恒星形成过程中所处的外界环境,物理条件会有所不同,且原恒星之间会存在动力学相互作用,比如飞掠(flyby)等。综合这些原因,盘的早期形成过程是复杂而多样的。我们也有理由相信,作为行星形成的主要场所,盘的“初始条件”的多样性为系外行星的多样性埋下了伏笔。
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