自引力原行星盘中尘埃颗粒的碰撞速度

我们开展了自引力原行星盘中尘埃颗粒相对速度分布的首次全面数值研究，旨在评估此类环境中通过直接坍缩形成星子可行性。该可行性关键取决于在瞬态螺旋特征产生的压力极大值中优先收集的大尺寸（斯托克斯数，$St \sim 1$）；增长到这些尺寸尺度要求碰撞速度保持足够低，以使颗粒生长不被碎裂逆转。我们表明，对于单尺寸尘埃族，盘引力扰动的速度驱动仅对$St > 3$有效，否则与气体速度的耦合占主导。我们发展了一个判据，以停止距离约为盘标度高度来理解该结果。然而，多尺寸尘埃族中由微分径向漂移引发的相对速度过高，不允许硅酸盐尘埃颗粒生长超越$St \sim 10^{-2}$或$10^{-1}$（在$30\,\mathrm{au}$处$10\,\mathrm{cm}$至$\mathrm{m}$尺寸），此类斯托克斯数不足以使固体在螺旋特征中浓集。不过，对于冰质固体（其可承受高达若干$10\,\mathrm{m\,s}^{-1}$的碰撞），在距星$30\,\mathrm{au}$之外可能生长至$St \sim 1$（$10\,\mathrm{m}$尺寸）。此类物体将浓集于螺旋特征中，并可能通过引力坍缩产生更大的冰质星子/彗星。这些星子将获得中等偏心率，并在盘剩余寿命内保持不变。