本文關(guān)鍵詞：分子云核性質(zhì)對(duì)氣態(tài)巨行星最終質(zhì)量的影響　出處：《吉林大學(xué)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：目前為止，接近1900顆太陽(yáng)系外行星已經(jīng)被確認(rèn)。對(duì)系外行星的觀測(cè)揭示了行星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是多種多樣的，而且行星質(zhì)量的多樣性尤其值得關(guān)注。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)氣態(tài)巨行星的質(zhì)量區(qū)間是非常寬的，有些氣態(tài)巨行星的質(zhì)量只有木星質(zhì)量的0.3倍，而有些行星的質(zhì)量可達(dá)木星質(zhì)量的20倍。令人感到困惑的是，多數(shù)氣態(tài)巨行星的質(zhì)量小于3倍木星質(zhì)量并且只有極少數(shù)的巨行星質(zhì)量超過(guò)10倍木星質(zhì)量。觀測(cè)數(shù)據(jù)還揭示出繞低質(zhì)量恒星運(yùn)行的巨行星數(shù)目遠(yuǎn)少于繞太陽(yáng)質(zhì)量恒星運(yùn)行的巨行星數(shù)目。這似乎意味著巨行星的觀測(cè)幾率隨恒星質(zhì)量的增加而增大。長(zhǎng)久以來(lái)，我們對(duì)巨行星形成的認(rèn)識(shí)僅僅局限于我們生活的太陽(yáng)系內(nèi)的四顆巨行星。隨著太陽(yáng)系外行星觀測(cè)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越對(duì)系外行星的多樣性起源問(wèn)題感興趣。 氣態(tài)巨行星質(zhì)量的多樣性表明行星形成的環(huán)境應(yīng)該是非常復(fù)雜的。行星是恒星形成過(guò)程的副產(chǎn)物，它是在原行星盤(pán)中形成的。因此，人們首先認(rèn)識(shí)到恒星的物理性質(zhì)對(duì)行星的形成有不可忽視的影響。研究發(fā)現(xiàn)恒星的金屬豐度不僅關(guān)系到巨行星的形成幾率還影響到巨行星內(nèi)重元素的豐度。近年來(lái)興起的行星族合成研究致力于探索原行星盤(pán)多樣性和行星多樣性之間存在的可能的聯(lián)系。由于原行星盤(pán)和行星形成的演化是同時(shí)進(jìn)行的并且各自包含了一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，因此，行星族合成所依賴(lài)的模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化。一方面簡(jiǎn)化了行星的形成過(guò)程，例如假定星子的形成過(guò)程非常迅速?gòu)亩雎粤诵亲拥男纬伞Ａ硪环矫鏄O大地簡(jiǎn)化了原行星盤(pán)的演化過(guò)程，例如使用最小質(zhì)量星云模型或者半分析的擬合公式模擬原行星盤(pán)面密度的演化。通過(guò)簡(jiǎn)化雖然使得理論研究在可接受的時(shí)間范圍里得以進(jìn)行下去，但是過(guò)度的簡(jiǎn)化也使得一些重要的物理因素對(duì)行星形成的影響被淹沒(méi)了。例如原行星盤(pán)演化的初始條件是認(rèn)為假定的。即假定原行星盤(pán)的初始總質(zhì)量或者初始面密度分布、盤(pán)的尺寸以及演化的時(shí)間尺度。這樣給出的原行星盤(pán)演化過(guò)程很有可能不符合其本身實(shí)際的演化過(guò)程。另外，行星在形成過(guò)程中反過(guò)來(lái)也要對(duì)原行星盤(pán)的演化產(chǎn)生重要影響。行星族合成使用的簡(jiǎn)化模型并不包含這樣的反饋機(jī)制。因此，行星族合成始終不能自洽地解釋太陽(yáng)系外行星多樣性的問(wèn)題。 在這篇論文中，我們主要研究了氣態(tài)巨行星是如何在原行星盤(pán)中生長(zhǎng)的并且探索分子云核的性質(zhì)是如何決定了氣態(tài)巨行星的最終質(zhì)量。我們認(rèn)為，太陽(yáng)系外行星的多樣性可能來(lái)自分子云核的多樣性。為此，我們首先基于核吸積模型建立了一個(gè)自洽的氣態(tài)巨行星生長(zhǎng)的模型，這個(gè)模型既模擬原行星核的生長(zhǎng)過(guò)程又包括了氣體吸積到核上的過(guò)程。這兩個(gè)演化過(guò)程都與原行星盤(pán)的物理性質(zhì)密切相關(guān)。我們采用的原行星盤(pán)演化模型是一維的長(zhǎng)時(shí)演化模型，這是目前模擬原行星盤(pán)長(zhǎng)時(shí)演化唯一的可行方式。我們的原行星盤(pán)演化模型從分子云核的塌縮開(kāi)始計(jì)算，因此包含了分子云核的物理性質(zhì)對(duì)原行星盤(pán)的物理性質(zhì)的影響。 我們發(fā)現(xiàn)，在原行星盤(pán)的不同位置，巨行星的演化行為顯著不同。在小于3AU范圍內(nèi)，原行星的固體核太小了以至于不能觸發(fā)氣態(tài)快吸積。因此，行星的質(zhì)量主要由固體核的質(zhì)量決定并且他們的質(zhì)量非常小。由于固體核的質(zhì)量隨盤(pán)半徑的增加而增大，行星的質(zhì)量相應(yīng)地隨盤(pán)半徑的增加而增大。在3AU處，原行星在盤(pán)壽命內(nèi)恰好具有足夠的質(zhì)量觸發(fā)氣體的快吸積。行星的質(zhì)量急劇地增大。在3-5AU范圍內(nèi)，原行星核的質(zhì)量隨盤(pán)半徑的增加而增大，因而行星氣體包層的準(zhǔn)靜態(tài)生長(zhǎng)速率逐漸地增大并且氣體快吸積的出發(fā)逐漸提前。由此導(dǎo)致氣態(tài)巨行星的質(zhì)量隨盤(pán)半徑逐漸增大。在5-20AU范圍內(nèi)，行星具有足夠的質(zhì)量形成深空隙。這時(shí)行星的質(zhì)量上線(xiàn)由原行星盤(pán)的粘滯決定。它們的最終質(zhì)量大約是2倍木星質(zhì)量并且變化幅度非常小。在20-37AU范圍內(nèi)，行星的質(zhì)量隨盤(pán)半徑的增加快速地減小。由于原行星核的生長(zhǎng)速率不斷減小，氣體快吸積的出發(fā)不斷地推遲，因此行星沒(méi)有充足的時(shí)間獲得足夠的質(zhì)量形成深空隙。超過(guò)37AU后，原行星盤(pán)中固體和氣體的面密度隨盤(pán)半徑的增加迅速減小。因此，原行星核的生長(zhǎng)速率不斷減小。行星只能獲得很少量的氣體，因此它的最終質(zhì)量非常小。 我們提出了一個(gè)在核吸積模式下“超級(jí)木星”的形成機(jī)制。超級(jí)木星的形成條件是當(dāng)原行星周?chē)纬缮疃鹊目障稌r(shí)，原行星盤(pán)處于引力不穩(wěn)定的狀態(tài)（高粘滯狀態(tài)）。我們的計(jì)算顯示超級(jí)木星的質(zhì)量上限、半長(zhǎng)軸范圍和它的出現(xiàn)幾率隨中心恒星質(zhì)量的增加而增加。我們認(rèn)為類(lèi)木行星和“超級(jí)木星”的形成機(jī)制本質(zhì)上是相同的，只是超級(jí)木星在大質(zhì)量恒星周?chē)菀仔纬�。而普通的氣態(tài)巨行星則廣泛地分布在各種質(zhì)量的恒星周?chē)?與系外行星的觀測(cè)作比較，我們的模型能夠解釋觀測(cè)到的氣態(tài)巨行星的質(zhì)量范圍和最可幾質(zhì)量。我們的計(jì)算解釋了觀測(cè)到的巨行星在大于1AU處聚集和在0.05 1AU處明顯缺乏的特征。我們從理論上推斷，氣態(tài)巨行星在20AU以外很難形成而在15 30AU范圍內(nèi)普遍存在的是中等質(zhì)量的行星。隨著行星觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，我們的推斷可能會(huì)被未來(lái)的行星探測(cè)所證實(shí)。
[Abstract]:The observations reveal that the mass range of giant planets is very wide , and that the mass of some planets is only 0.3 times the mass of Jupiter , and that the mass of some planets can reach 20 times the mass of Jupiter . It seems to be confusing that most gaseous macroplanets have a mass of less than 3 times the mass of Jupiter and that some planets have a mass of less than 10 times the mass of Jupiter . In recent years , it is believed that the evolution of the star is not only related to the formation of the giant planets but also the abundance of the heavy elements in the giant planets . In this paper , we mainly studied how the gaseous giant planets were grown in the original planetary disc and explored the ultimate quality of the gaseous giant planets . We believe that the diversity of the outer planets of the solar system may be derived from the diversity of the nuclear species . In the range of 3 - 5AU , the mass of the planet is increased rapidly with the increase of the radius of the disc . The mass of the planet is increased rapidly with the increase of the radius of the disc . We propose a mechanism for the formation of " super - Jupiter " in nuclear - accretion mode . The formation conditions of super - Jupiter are the state of gravitational instability ( high viscous state ) when the depth is formed around the original planet . Our calculations show that the quality upper limit , the half - axis range and the probability of its occurrence increase with the increase of the mass of the central star . We believe that the formation mechanism of the quasar and " super - Jupiter " is essentially the same , but the super - Jupiter is more easily formed around the mass of stars . And the common gaseous giant planets are widely distributed around the stars of various masses .

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本文編號(hào)：1424403