流体动力学湍流盘中行星的粒子吸积

原行星的生长过程可以通过吸积原行星盘中仍存在的大量固体、卵石大小的物体来加速。这一过程在现实湍流盘中效率如何，仍是一个悬而未决的问题。在此，我们研究了由纯流体动力学垂直剪切不稳定性（VSI）驱动的湍流盘中卵石的吸积。为此，我们对局部等温的 VSI 湍流盘进行了全局三维模拟，盘中嵌入了位于距离恒星 5.2 au 处、质量从 5 到 100 $M_\oplus$ 的原行星核。此外，我们追踪了在湍流流场中气体与颗粒间拖曳力作用下，不同尺寸的嵌入卵石群的演化。同时，我们对层流粘性盘进行了一组对比模拟，其中颗粒受到随机踢动。针对这两种情况，我们测量了吸积率作为核质量与颗粒 Stokes 数（$\tau_s$）的函数，并将其与近期的 MRI 湍流模拟进行了比较。总体而言，VSI 湍流盘中颗粒的动力学与带有随机踢动的层流情况非常相似。对于小质量行星（即 5 和 10 $M_\oplus$），$\tau_s = 1$ 的良好耦合颗粒（在此位置尺寸约为 1 米），我们发现其吸积效率（吸积颗粒数与向内漂移颗粒数之比）约为 1.6-3%。对于更小和更大的颗粒，该效率更高。然而，$\tau_s = 1$ 颗粒的快速向内漂移使其最有利于快速生长，导致质量倍增时间约为 20,000 年。当质量在 10 到 30 $M_\oplus$ 之间时，核达到卵石隔离质量，颗粒被捕获在行星外侧的压力极大值处，从而阻断了进一步的颗粒吸积。