原行星盘中尘埃在流体力学湍流作用下的沉降

提高原行星盘中的局地尘埃与气体质量比（尘气比）是星子形成的必要第一步。在层流盘中，尘埃沉降是在盘赤道面提升尘气比的有效机制。然而，若湍流存在，则会搅动并扬起尘埃颗粒，最终阻碍星子形成。本工作中，我们研究具有由垂直剪切不稳定性维持的流体力学湍流的原行星盘中的尘埃沉降。我们进行轴对称数值模拟，以探究湍流、颗粒尺寸以及固体丰度或金属丰度对尘埃沉降的影响。我们强调了尘埃施加于气体的阻力对沉降克服垂直剪切不稳定性的积极作用。在典型盘模型中，我们发现只要 $\Sigma_\mathrm{d}/\Sigma_\mathrm{g}\gtrsim 0.02$-$0.05$（其中 $\Sigma_\mathrm{d,g}$ 分别为尘埃和气体的面密度），斯托克斯数 $\sim 10^{-3}$ 的颗粒即可沉积至气体标高 $\lesssim 10\%$ 以内。这与小颗粒通过流不稳定性发生团块化的金属丰度条件相吻合。因此，星子形成的自洽图像至少要求局地具有超太阳金属丰度。我们的结果还意味着，只要环与缝之间的金属丰度反差超过相应的气体密度反差，原行星盘中观测到的尘埃环应具有比尘埃缝更小的标高。