行星形成的氣體吸積演化過程

李妮云

（嘉應學院，廣東 梅州 514015）

氣體吸積演化過程為“核吸積模型”理論研究進程的其中一個演化過程，行星大樣本演化為基于該理論模型且在國際上影響較大的研究方法。研究人員通過對演化結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)及星空圖進行對比，其可驗證氣體吸積研究過程的準確程度并推動“核吸積模型”理論研究進程的發(fā)展。

雖然數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)及星空圖存在一定的差異，然而在目前也不失為一個較好的研究方法，德國天文學家Leo W Pollack通過一維數(shù)值模擬，驗證了氣體吸積過程中存在臨界質(zhì)量。

在推動行星形成的氣體吸積演化過程的研究進程中，一方面如果能優(yōu)化觀測設備的分辨率和靈敏度，將能得到更多且精確的“原材料數(shù)據(jù)”；另一方面是對觀測所得“原材料數(shù)據(jù)”的處理及利用，其中數(shù)值模擬能力的提高成為一個關(guān)鍵點，該關(guān)鍵點的突破口為數(shù)值模擬代碼的編寫。上述分析表明，行星形成的氣體吸積演化過程的研究進程在穩(wěn)步向前且充滿了挑戰(zhàn)性。

1 系外行星的發(fā)現(xiàn)激起對行星形成的研究興趣

從1992年第一顆系外行星的發(fā)現(xiàn)，到1995年瑞士Michel Mayor及其學生Didier Queloz發(fā)現(xiàn)在距離為40光年的飛馬座51星中存在系外行星，其為研究人員發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞主序星的系外行星[1]。此外，通過系外行星探測衛(wèi)星開普勒任務（Kepler Mission）空間望遠鏡，時至2016年研究人員觀測得到超過3 000顆系外行星。從1992年第一顆系外行星的發(fā)現(xiàn)到2016年通過Kepler Mission空間望遠鏡超過3 000顆系外行星被發(fā)現(xiàn)，研究人員探究發(fā)現(xiàn)，不同的系外行星，其密度、半徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運行軌道等存在一定的差異，激起了研究人員對行星形成過程的研究興趣。2018年，凌日系外行星勘測衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）在美國升空，該衛(wèi)星是繼Kepler Mission空間望遠鏡又一影響巨大的天文觀測衛(wèi)星。綜上表明系外行星的發(fā)現(xiàn)激起了研究人員對行星形成的研究興趣并使其為之不斷地探索研究。

2 行星形成的氣體吸積演化過程

隨著研究人員對行星形成過程的深入研究及前人理論基礎的影響，“核吸積模型”理論誕生。該理論中的一個演化過程為氣體吸積演化過程。基于“核吸積模型”理論的行星形成演化過程具體如下：早期，原行星盤中的細小微粒經(jīng)過不斷地下降和粘合生長成較大的顆粒；隨后該較大顆粒不僅半徑大小發(fā)生改變，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生復雜的變化而逐漸生長成為星子；配對好的星子由于相互作用，最后，在原行星盤中逐漸生長成為“核”。

此時，將進入氣體吸積演化過程，“核”通過引力對原行星盤中的氣體原材料進行約束并在原行星盤中進行平緩吸積。“核”的質(zhì)量會影響氣體吸積演化過程的速率，在“核”質(zhì)量較大時，氣體吸積演化過程也隨之變快。在氣體吸積演化過程中，當“核”在原行星盤中的質(zhì)量超過臨界質(zhì)量時，氣體吸積演化過程的速率將達到最大值，進而“核”將迅速生長成為初期行星。

上述過程在德國天文學家Leo W Pollack的一維數(shù)值模擬研究方法中得以驗證，在行星形成的氣體吸積演化過程中存在臨界質(zhì)量，當“核”質(zhì)量超過臨界質(zhì)量時，“核”將在原行星盤中失控吸積，進而迅速生長成為氣體巨行星[2]。然而，研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)氣體吸積生長到一定程度時將會停止，這是因為當初期形成的行星氣體吸積達到一定質(zhì)量時，原行星盤與初期形成的行星的相互作用會將附近的氣體原材料推開，此外原行星盤中會出現(xiàn)一個縫。此后，行星形成的氣體吸積演化過程由于氣體原材料的丟失，該過程將達到最大化[3]。

3 氣體吸積演化過程的數(shù)據(jù)觀測與模擬

3.1 衛(wèi)星升空為氣體吸積演化過程提供理論數(shù)據(jù)

“核吸積模型”理論的誕生基于研究人員對觀測數(shù)據(jù)的研究處理及前人的理論基礎。與此同時，天文觀測衛(wèi)星也陸續(xù)成功升空。在早期，有1990年在佛羅里達州肯尼迪航天中心成功升空的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST），作為光學及空間望遠鏡的HST時至2019年已經(jīng)獲得超過7 500張星空圖，在這7 500張星空圖中已捕捉得到超過265 000個系外星系。2009年Kepler Mission空間望遠鏡在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功升空，作為國際上首個觀測系外類地行星的空間望遠鏡，時至2016年其已搜尋得到超過3 000顆系外行星。2018年4月TESS在美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功升空。其中，Kepler Mission空間望遠鏡與TESS不僅致力于探尋系外類地行星，還致力于探尋系外類地行星中可能存在的生命體。然而，2018年10月美國正式宣布Kepler Mission空間望遠鏡停止使用，TESS看作是Kepler Mission空間望遠鏡青出于藍而勝于藍的“接班人”，使得行星形成的氣體吸積演化過程數(shù)據(jù)來源得到不斷完善及更新。基于天文觀測衛(wèi)星成功升空所獲取的數(shù)據(jù)，一方面為研究人員研究行星形成的氣體吸積演化過程提供了“原材料數(shù)據(jù)”、理論數(shù)據(jù)支撐及具體的研究方向，比如：系外行星在密度、半徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等不同時或者相同時其原行星盤環(huán)境有何差異？考慮生命體的存在將對行星形成的氣體吸積演化過程有何影響？另一方面，成為推動行星形成的氣體吸積演化過程的理論研究進程的重要動力。

3.2 基于“核吸積模型”理論的行星大樣本演化

隨著天文觀測衛(wèi)星的成功升空及投入使用，研究人員收集到不少系外行星的相關(guān)數(shù)據(jù)及星空圖。研究人員在對觀測數(shù)據(jù)及星空圖的研究處理中，基于“核吸積模型”理論的行星大樣本演化研究方法在國際上頗具影響力[4]。

在行星大樣本演化中，研究人員基于觀測數(shù)據(jù)及前人的理論基礎，模擬出大量初始狀態(tài)不同的原行星盤環(huán)境，并將不同的物理過程加入演化過程。通過漫長的演化，研究人員間接得到基于“核吸積模型”理論的氣體吸積演化過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。

基于行星大樣本演化，一方面研究人員將演化數(shù)據(jù)結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進行對比，將更為直接地驗證行星形成的氣體吸積演化過程的理論研究的正確性，進而增加該理論研究的說服力；另一方面，在行星大樣本演化中研究人員通過改變原行星盤環(huán)境的初始狀態(tài)及演化過程中的物理過程，進一步細化和改變行星形成的氣體吸積演化過程的理論研究方向，為該理論研究進程取其精華去其糟粕，進而使其逐步朝著正確的方向前進。

4 對氣體吸積演化過程理論研究進程的優(yōu)化

4.1 發(fā)展觀測設備

由于行星形成的氣體吸積演化過程的理論研究及推進依靠于觀測數(shù)據(jù)的更新，因此持續(xù)發(fā)展觀測設備尤為重要。目前在國際上的觀測設備主要有光學望遠鏡，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將影響觀測數(shù)據(jù)的準確性及精確程度。在望遠鏡的優(yōu)化進程中，分辨率及靈敏度為其中的兩個切入點。一是望遠鏡的分辨率，分辨率高、分辨能力好的望遠鏡能觀測到更大的系外宇宙環(huán)境，并能在較暗的系外宇宙環(huán)境中收集獲取更為清晰的星空圖。在該優(yōu)化過程中，處理好望遠鏡口徑與分辨率的關(guān)系成為關(guān)鍵點，比方位于中國貴州省的“天眼”——500 m口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST），屬于射電望遠鏡，口徑長達500 m，較好地解決了空間望遠鏡對口徑的限制。上述實例表明，如何更好地優(yōu)化望遠鏡的分辨率和分辨能力仍是一個值得研究人員深入探究的問題。二是望遠鏡的靈敏度，具有較高的靈敏度能觀測到更小的系外能量值。一方面觀測設備的發(fā)展，為研究行星形成過程提供“原材料數(shù)據(jù)”及理論數(shù)據(jù)支撐；另一方面研究人員通過對觀測數(shù)據(jù)的研究處理，為發(fā)展觀測設備提供具體的改進方向；這就形成了相互促進的過程。與此同時，也要做好觀測設備的維護工作。Kepler Mission空間望遠鏡在2009年成功升空，然而美國在2018年就宣布其停止使用。在早期發(fā)射的HST也在2021年停止了工作。然而上述天文觀測衛(wèi)星僅在前期就投入大量資金，比如HST僅在前期設計時美國就撥付了2.3億元（折算成人民幣）。如果觀測設備由于維護不當而導致其無法正常運行，不但資金損失將難以估量，而且更為嚴重的是部分系外行星的數(shù)據(jù)獲取需要持續(xù)一段時間，觀測工作的突然中斷將會嚴重影響到研究人員的探究進程。在維護過程中，除了要提高研究人員自身的知識技術(shù)水平外，研究人員對維護觀測設備的態(tài)度也同樣重要。

綜上表明，發(fā)展觀測設備是使研究進程不中斷的重要保障，持續(xù)發(fā)展觀測設備尤為重要。

4.2 解決國家間的“壟斷問題”從而把更多的物理過程加入行星大樣本演化中

推進基于“核吸積模型”理論的行星大樣本演化進程中，發(fā)展觀測設備尤為重要，其將使研究人員獲得更為精確的研究數(shù)據(jù)，對所得數(shù)據(jù)的處理及充分利用也同為重要。在對數(shù)據(jù)進行處理和利用時，除了提高研究人員自身的知識水平及科研能力外，如果能有效解決國家間的“壟斷問題”，也不失為一個更快捷的解決方案，這主要是由于以下兩個方面的原因：一方面，雖然目前在國際上研究人員已發(fā)現(xiàn)不少的系外行星，然而對于浩瀚的宇宙而言目前的觀測數(shù)據(jù)依然十分有限，此外是對于某些關(guān)鍵信息的獲取及處理在國家間存在一定的差異，使得各自研究中的行星大樣本演化過程也隨之存在差異；另一方面，基于行星大樣本演化的原行星盤環(huán)境模擬是一個十分漫長的演化過程，如果能在國家間進行相關(guān)數(shù)據(jù)的交流與共享，并把研究人員的力量聚集在一起，使其形成一股更為強大的科研力量，不僅能節(jié)約時間成本，還將使得相對有限的數(shù)據(jù)得到更為充分的處理及利用，進而將更多的物理過程加入行星大樣本演化過程，推進行星形成的氣體吸積演化過程的研究進程。

4.3 提高數(shù)值模擬研究方法的應用能力

基于磁流體動力學及“核吸積模型”理論的數(shù)值模擬為國際上常用的研究方法，該研究方法的應用能力的提高依然為國際上的研究重點。首先，國內(nèi)研究人員在氣體吸積演化過程方面的數(shù)值模擬依然較為匱乏；其次，因為在處理觀測數(shù)據(jù)時其數(shù)量級極大且復雜，所以僅依靠人為計算將難以保證運算的準確性及效率。因此數(shù)值模擬代碼的編寫成為其中一個重要的突破口，但其亦為一個國際難題。

5 結(jié)束語

隨著天文觀測衛(wèi)星的成功升空及投入使用，研究人員發(fā)現(xiàn)了不少系外行星，并發(fā)現(xiàn)其密度、半徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等存在一定的差異，進一步激起了研究人員對行星形成的探究興趣。

基于前人的理論基礎及觀測數(shù)據(jù)，研究人員提出“核吸積模型”理論，基于該理論模型的氣體吸積演化過程亦為研究人員的探究重點之一。基于“核吸積模型”理論的行星大樣本演化研究方法中，研究人員通過對演化結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進行對比，進而驗證和推動氣體吸積演化過程的理論研究進程。

在氣體吸積演化過程的研究進程中，觀測設備的發(fā)展及維護是推動該研究進程持續(xù)前進的重要保障。提高研究人員對觀測數(shù)據(jù)的處理及利用同為重要：一是能有效解決國家之間數(shù)據(jù)的“壟斷問題”，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的交流與共享，將使氣體吸積演化過程的理論研究在國家間得以取長補短并精益求精；二是提高數(shù)值模擬能力，其代碼的編寫成為關(guān)鍵的突破口。分析結(jié)論表明行星形成的氣體吸積演化過程的研究進程在穩(wěn)步前進且充滿挑戰(zhàn)性。