辐射低效盘中大质量行星驱动激波的研究 II. 三维全局盘模拟

近期原行星盘的高分辨率近红外图像显示这些盘常呈现螺旋结构。螺旋臂是数十年前盘-行星相互作用数值模拟所预言的结构之一，因此很容易怀疑行星扰动体是观测特征的根源。然而，这种解释并非没有问题。发现螺旋具有大螺距角，并且在至少一个案例（HD 100546）中螺旋特征表现为基本未偏振，这意味着约 1000K 的热辐射（仔细观测为 465$\pm$40K）。我们最近在二维模型中已表明，若盘足够绝热，大质量行星超声速尾流中的激波耗散可导致显著加热。本文我们将此分析扩展到热力学演化盘中的三维情形。我们的模型使用球坐标下的 Pencil Code，并基于局部垂直气体柱的光学深度给出热冷却方案。我们使用一颗 5$M_J$ 行星，表明在行星附近发生林德布拉德共振（Lindblad resonances）的区域中的激波将气体加热到远高于该半径处环境盘气体的温度。气体被激波垂直加速离开中平面形成激波涌波（shock bores），而落回中平面的气体在林德布拉德共振附近破碎成湍流涌浪（turbulent surf）。这种湍流虽局域化，却具有高的 $\alpha$ 值，在内林德布拉德共振处达 0.05，在外共振处达 0.1。我们还发现证据表明，被行星激波加热的盘区域最终变为超绝热，在远离行星轨道处产生对流。