基于三维辐射流体动力学模拟的行星包层生长系统研究

在行星形成的核吸积模型中，包层冷却调节物质的吸积并最终设定形成巨行星的时间尺度。鉴于行星形成环境的多样性、不透明度不确定性以及三维再循环流的对流能量传输，目前尚不清楚一维模型是否能在所有情况下充分描述包层结构与吸积。即使在三维模型中，近似辐射转移方法是否足以模拟包层冷却（尤其是在行星光球层处）也不明确。为解决这些不确定性，我们提出一套采用直接求解转移方程方法的三维辐射流体动力学模拟。我们以无量纲参数形式对多种包层光学厚度和冷却时间进行参数空间研究。我们发现包层的热力学结构根据冷却时间（进而根据背景盘温度和密度）从绝热到等温变化。我们的模型与一维静态计算总体一致，表明再循环流在决定包层结构方面作用有限。通过采用无量纲框架，这些模型可应用于广泛的成形条件与假设不透明度。特别地，我们将其量纲化到超级地球与原木星的情形，并在失控增长前对三维质量吸积率给出上限。最后，我们评估了近似辐射转移方法的保真度，发现即使在最具挑战性的情形下，较近似的方法也足够准确且值得其在计算成本上的节省。