通过流体不稳定性在小行星和柯伊伯带天体形成中加入粒子碰撞

通过对小粒子过密区域进行引力坍缩来模拟超大公里级行星体的形成，需要能够同时处理流体动力学、粒子动力学和粒子碰撞的数值算法。虽然径向收缩的初始阶段由拖曳力和引力主导，但随着丝状结构收缩超过洛希密度，粒子碰撞逐渐变得更加重要。在此，我们提出一种新的数值算法，用于处理代表大量物理粒子的数值超粒子之间碰撞中的动量和能量交换。我们采用蒙特卡罗方法，网格单元中的超粒子对在物理碰撞时间尺度上发生统计性碰撞。碰撞通过扩大粒子直到它们接触并求解碰撞结果来实现，同时考虑了非弹性碰撞中的能量耗散。我们证明，超粒子碰撞可以以适中的计算成本一致地实现。在由流体不稳定性驱动的原行星盘湍流中，我们认为在碰撞计算过程中应减去相对开普勒剪切速度。如果不减去，密度不均匀性会过快地扩散消失，因为膨胀的粒子夸大了碰撞速度。局部粒子密度达到中平面气体密度的几千倍。我们发现形成了有效引力束缚的团块，其质量范围对应于应用于小行星带时收缩半径从100到400 km，应用于柯伊伯带时从150到730 km，这是使用常数自引力参数外推得到的。在低分辨率下未观察到较小的行星体，但最大行星体的质量相对独立于分辨率和碰撞处理方式。