原行星盘中三维 Rossby 涡旋的结构、稳定性与演化

已知大尺度持久性涡旋很容易通过 Rossby 波不稳定性或斜压不稳定性在二维盘中形成。然而在三维中，它们的形成和稳定性是一个复杂的问题，仍存在争议。我们研究了分层无粘盘中由 Rossby 波不稳定性引起的涡旋形成，并描述了它们的三维结构、稳定性和长期演化。数值模拟使用基于二阶有限体积法的全可压缩流体动力学代码进行。我们假设理想气体定律和非均熵绝热流。研究发现，Rossby 波不稳定性在三维中的进行方式与二维类似。由不稳定性产生的涡旋在整个盘厚度上看起来像涡度柱；微小的垂直运动与 RWI 发展过程中出现的涡旋轴的微弱倾斜有关。纵横比大于 6 的涡旋不受椭圆不稳定性的影响。它们弛豫为准稳态的柱状结构，可存活数百次旋转，同时缓慢向内迁移至恒星，其迁移率随涡旋纵横比的增加而降低。相比之下，纵横比较小的涡旋则受到椭圆不稳定性的影响。短纵横比的涡旋在几个轨道周期内被完全摧毁。具有中等纵横比的涡旋在远离中平面的区域被椭圆不稳定性部分摧毁，该处的盘分层足够大。细长的 Rossby 涡旋可以以涡度柱的形式在原行星盘中存活大量轨道周期。它们可能在气体演化和固体粒子聚集形成星子或行星核的过程中发挥重要作用，随着最近在 Oph IRS48 盘中发现粒子陷阱，这一可能性重新引起了人们的兴趣。