论长期引力不稳定性生成的环的非轴对称碎裂

在多种原行星盘中已观测到环状结构。在可能生成此类特征的过程中,长期引力不稳定性(Secular Gravitational Instability, SGI)是一个可能的候选机制。也有提出,SGI 可能在非线性的不稳定阶段导致星子形成。在此背景下,我们采用带自引力的两流体流体动力学模拟,研究在 SGI 作用下增长的环状扰动的非轴对称、非线性演化。我们发现,SGI 的非线性演化结果主要取决于初始线性增长率。对于小于典型值 $\sigma \gtrsim 10^{-4}-10^{-5}\Omega$ 的 SGI 增长率,由尘埃反馈引起的耗散在气体中引入 $m=1$ 螺旋波,即使对于 Toomre 气体稳定参数 $Q_g>2$(在纯气体盘中会出现非轴对称不稳定性)也是如此。这一单臂螺旋随后捕获尘埃粒子,直至达到尘埃-气体比 $\epsilon \sim 1$。对于更高的线性增长率,发现尘埃环发生引力坍缩,直到面密度轮廓中的凸起足够强,通过 Rossby 波不稳定性(Rossby Wave Instability, RWI)触发尘埃涡旋的形成。由此过程产生的尘埃密度增强被发现与线性增长率成比例,且可使得尘埃密度高于洛希密度,从而导致束缚团块的形成。因此,SGI 产生的轴对称环的碎裂可能作为星子形成的一个可能过程而出现。