千米级星子的聚结

我们研究了从均一尺寸的星子海洋开始形成大天体的效率。这可能是行星形成的早期步骤之一，且与小行星带、柯伊伯带及系外碎片盘的形成相关。在此，我们考虑种子星子碰撞频率不足以使动力学碰撞变得重要（即无碰撞极限）的情形，利用新构建的聚结代码，并通过仔细比较数值结果与解析标度律进行分析。在缺乏碰撞冷却的情况下，随着大天体通过吸积小天体而增长，小天体的速度弥散度 ($u$) 被不断激发。生长过程从众所周知的失控阶段（当 $u$ 高于大天体的希尔速度时）过渡到新发现的跨希尔阶段（此时 $u$ 与大天体均增长，但 $u$ 保持在大天体的希尔速度水平）。我们发现，与 Lithwick (2014) 发展的解析理解以及先前的数值研究一致，产生的尺寸谱为 $dn/dR \propto R^{-4}$，且形成效率（定义为远大于初始尺寸的天体所占的质量分数）约为 $\sim {\mathrm{ a \,\, few}}\times R_\odot/a$，或在柯伊伯带距离处约为 $\sim 10^{-3}$。我们认为，这种极低的效率使得传统的聚结模型无法解释我们所在的柯伊伯带及系外碎片盘的形成。需要新的理论，可能涉及直接引力坍缩或小星子的强碰撞冷却。