原行星盘中含尘涡旋的存活与结构

我们利用带有 Lagrangian 尘埃粒子的二维剪切盒模拟，研究了尘埃反馈对原行星盘中涡旋存活与结构的影响。我们考虑了多种尺度的尘埃（停止时间 $t_s = 10^{-2}\Omega^{-1} - 10^{2}\Omega^{-1}$，从与气体完全耦合到退耦合极限）。我们发现当涡旋内总尘埃-气体质量比大于 30-50% 时，涡旋会被尘埃反馈摧毁，且与尘埃尺度无关。在涡旋被摧毁后，某些情况下尘埃分布仍可呈不对称性。在尘埃量较少时，涡旋可存活至少 100 个轨道周期，且涡旋内最大尘埃面密度可超过气体面密度 100 倍以上，可能促进星子形成。另一方面，在这些稳定涡旋中，小（$t_s < \Omega^{-1}$）与大（$t_s > \Omega^{-1}$）尘埃颗粒的聚集方式不同，并以不同方式影响气体动力学。大尘埃的分布比小尘埃更为拉长。大尘埃（$t_s > \Omega^{-1}$）聚集在涡旋中心，其反馈导致涡度向中心翻转，在反气旋涡旋内形成宁静区。若涡旋负载小颗粒，则无此翻转。我们证明，在同时存有大小尘埃颗粒且条件合适的原行星盘中，大尘埃向涡旋中心的聚集可导致宁静中心，排斥小尘埃并在涡旋中心周围形成小尘埃环。涡旋内小与大尘埃间的这种反相关性，或可解释过渡盘不对称区域中 ALMA 与近红外散射光观测之间的差异。