气体-尘埃星周盘中尘埃粒子轨迹计算方法分析

首次对现代天体物理代码中用于建模气体-尘埃星周盘所采用的固相粒子轨迹计算方法进行了系统分析。考虑了速度主要由气体阻力决定的颗粒的运动，即其停止时间或尘埃速度弛豫到气体速度的时间 t_{stop} 小于或可与转动周期相比的情况。从计算小天体（包括强耦合于气体的小于 1 微米的尘埃颗粒）运动稳定性的角度分析了这些方法。两个测试问题具有解析解。给出了快速一阶精度方法，其能够避免由于气体阻力对任一尺寸颗粒运动计算时间步长的额外限制。对于星周盘的条件，当时间步长 \tau>t_{stop} 时，使用某些稳定方法获得的速度计算误差变得不可接受地大。对于沿近开普勒轨道漂移的天体的径向迁移，一种渐近近似（有时称为短摩擦时间近似或漂移通量模型）给出的径向速度相对误差等于 St^2，其中 St 为斯托克斯数，即天体停止时间与盘中某部分转动周期（动力学时标）的比值。