原行星盘中的尘埃捕获罗斯比涡旋

行星形成理论中最具挑战性的步骤之一是导致千米级星子形成的阶段。一个有前景的情景涉及存在能够在其中心聚集大量尘埃和颗粒的涡旋。迄今为止，该情景主要在 2D 极薄盘中进行研究。包含涡旋形成及其导致的尘埃浓度以及垂直沉降的 3D 研究仍然缺失。罗斯比波不稳定性 (RWI) 自洽地形成 3D 涡旋，其独特品质是在中心呈现大尺度垂直速度。本文旨在研究这一新发现的效应如何改变尘埃的动力学演化。我们使用 MPI-AMRVAC 代码在径向和垂直分层的盘中对 RWI 进行全局 3D 模拟。在不稳定性增长阶段之后，采用双流体方法对气相和固相进行建模，其中尘埃被视为无压力流体。模型包含了气体对尘埃的拖曳力以及尘埃对气体的反作用力。使用了从 1mm 到 5cm 的多种颗粒尺寸，并具有恒定的密度分布。我们在短时间尺度内获得了涡旋中最大颗粒的高浓度。事实上，在 3 次旋转内，尘气密度比从 $10^{-2}$ 增长到 1，导致单个涡旋中的质量集中高达火星质量。径向漂移的存在也是涡旋半径处尘埃堆积的原因。最后，涡旋中气体的垂直速度导致沉降过程逆转，毫米级尘埃被抬升，在上层获得的浓度高于中平面。