原行星尘埃的湍流聚集与星子形成

我们研究惯性粒子在湍流中的聚集现象，并讨论其在原行星盘尘埃粒子中的应用。通过数值模拟，我们计算了径向分布函数（RDF）——用于衡量在给定距离上找到粒子对的概率——以及粒子浓度的概率密度函数。聚集统计特性取决于斯托克斯数 $St$，其定义为粒子摩擦时间尺度 $\tau_{\rm p}$ 与流动中柯尔莫哥洛夫时间尺度之比。在耗散区，聚集强度在 $St \simeq 1$ 处强烈峰值，且 $St \sim 1$ 时的 RDF 在小尺度上呈现快速的幂律增长，表明湍流聚集可能显著提高粒子碰撞率。惯性区尺度的聚集对星子形成问题尤为关键。在这些尺度上，最强的聚集来自 $\tau_{\rm p}$ 处于惯性区的粒子。这些粒子的聚集主要发生在涡旋翻转时间约为 $\tau_{\rm p}$ 的尺度附近。不同尺寸的粒子倾向于聚集在不同位置，导致不同粒子间在小尺度上的 RDF 趋于平坦。在存在多种粒径的情况下，随着粒径分布变宽，整体聚集强度会降低。我们讨论了近期星子形成模型中的粒子聚集。我们指出，在基于陨石球粒大小粒子湍流聚集的模型中，找到能够孕育星子的强聚集区的概率可能被显著高估了。我们讨论了通过米级粒子致密团块引力坍缩形成星子的模拟中的各种聚集机制，特别是由于有限数值分辨率导致的湍流聚集的贡献。