强耦合颗粒 regime 下的尘埃-涡旋不稳定性

我们提出了一项在全局双流体盘模拟中尘埃-涡旋演化的新颖研究，以探明在具有低 Stokes 数（$St=10^{-3}-{4\times 10^{-2}}$）的强耦合颗粒 regime 下，是否可能发生向高尘埃-气体比方向的演化。我们在 RoSSBi 代码中设计了一种新的隐式格式，以克服小颗粒尺寸导致的短时间步长问题。我们发现线性捕获阶段对所有颗粒尺寸都以自相似方式发生，其内禀时标（表征涡旋寿命）按 $1/St$ 缩放。涡旋耗散后，形成{{全局活跃尘埃环}}是一个普遍结果，证实了我们先前针对较大颗粒获得的结果。我们提出一种情景：无论颗粒尺寸如何，在涡旋存在下，多条路径可在相对较短的时标（$< 10^5$ yr）内导致局域尘埃-气体比达到量级为一及以上，即使 $St=10^{-3}$。当 $St>10^{-2}$ 时，涡旋被双流体不稳定性迅速耗散，且大尘埃密度增强在全局尘埃环中形成。当 $St<10^{-2}$ 时，涡旋抵抗失稳。结果，尘埃浓度由于涡旋内部发展的湍流而局域发生。无论 Stokes 数为何，尘埃-气体比在 $1-10$ 范围内——触发后续流态不稳定性的必要条件，甚至是尘埃团块的直接引力不稳定性的必要条件——似乎是一个不可避免的结果。尽管仍须与其他不稳定性建立定量联系，我们认为我们的结果支持了一种涡旋驱动的星子形成新情景。