行星形成的气体吸积演化过程

李妮云

（嘉应学院，广东 梅州 514015）

气体吸积演化过程为“核吸积模型”理论研究进程的其中一个演化过程，行星大样本演化为基于该理论模型且在国际上影响较大的研究方法。研究人员通过对演化结果与观测数据及星空图进行对比，其可验证气体吸积研究过程的准确程度并推动“核吸积模型”理论研究进程的发展。

虽然数值模拟所得数据结果与观测数据及星空图存在一定的差异，然而在目前也不失为一个较好的研究方法，德国天文学家Leo W Pollack通过一维数值模拟，验证了气体吸积过程中存在临界质量。

在推动行星形成的气体吸积演化过程的研究进程中，一方面如果能优化观测设备的分辨率和灵敏度，将能得到更多且精确的“原材料数据”；另一方面是对观测所得“原材料数据”的处理及利用，其中数值模拟能力的提高成为一个关键点，该关键点的突破口为数值模拟代码的编写。上述分析表明，行星形成的气体吸积演化过程的研究进程在稳步向前且充满了挑战性。

1 系外行星的发现激起对行星形成的研究兴趣

从1992年第一颗系外行星的发现，到1995年瑞士Michel Mayor及其学生Didier Queloz发现在距离为40光年的飞马座51星中存在系外行星，其为研究人员发现的第一颗围绕主序星的系外行星[1]。此外，通过系外行星探测卫星开普勒任务（Kepler Mission）空间望远镜，时至2016年研究人员观测得到超过3 000颗系外行星。从1992年第一颗系外行星的发现到2016年通过Kepler Mission空间望远镜超过3 000颗系外行星被发现，研究人员探究发现，不同的系外行星，其密度、半径、内部结构、运行轨道等存在一定的差异，激起了研究人员对行星形成过程的研究兴趣。2018年，凌日系外行星勘测卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）在美国升空，该卫星是继Kepler Mission空间望远镜又一影响巨大的天文观测卫星。综上表明系外行星的发现激起了研究人员对行星形成的研究兴趣并使其为之不断地探索研究。

2 行星形成的气体吸积演化过程

随着研究人员对行星形成过程的深入研究及前人理论基础的影响，“核吸积模型”理论诞生。该理论中的一个演化过程为气体吸积演化过程。基于“核吸积模型”理论的行星形成演化过程具体如下：早期，原行星盘中的细小微粒经过不断地下降和粘合生长成较大的颗粒；随后该较大颗粒不仅半径大小发生改变，而且其内部结构也发生复杂的变化而逐渐生长成为星子；配对好的星子由于相互作用，最后，在原行星盘中逐渐生长成为“核”。

此时，将进入气体吸积演化过程，“核”通过引力对原行星盘中的气体原材料进行约束并在原行星盘中进行平缓吸积。“核”的质量会影响气体吸积演化过程的速率，在“核”质量较大时，气体吸积演化过程也随之变快。在气体吸积演化过程中，当“核”在原行星盘中的质量超过临界质量时，气体吸积演化过程的速率将达到最大值，进而“核”将迅速生长成为初期行星。

上述过程在德国天文学家Leo W Pollack的一维数值模拟研究方法中得以验证，在行星形成的气体吸积演化过程中存在临界质量，当“核”质量超过临界质量时，“核”将在原行星盘中失控吸积，进而迅速生长成为气体巨行星[2]。然而，研究人员在研究中发现气体吸积生长到一定程度时将会停止，这是因为当初期形成的行星气体吸积达到一定质量时，原行星盘与初期形成的行星的相互作用会将附近的气体原材料推开，此外原行星盘中会出现一个缝。此后，行星形成的气体吸积演化过程由于气体原材料的丢失，该过程将达到最大化[3]。

3 气体吸积演化过程的数据观测与模拟

3.1 卫星升空为气体吸积演化过程提供理论数据

“核吸积模型”理论的诞生基于研究人员对观测数据的研究处理及前人的理论基础。与此同时，天文观测卫星也陆续成功升空。在早期，有1990年在佛罗里达州肯尼迪航天中心成功升空的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST），作为光学及空间望远镜的HST时至2019年已经获得超过7 500张星空图，在这7 500张星空图中已捕捉得到超过265 000个系外星系。2009年Kepler Mission空间望远镜在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功升空，作为国际上首个观测系外类地行星的空间望远镜，时至2016年其已搜寻得到超过3 000颗系外行星。2018年4月TESS在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功升空。其中，Kepler Mission空间望远镜与TESS不仅致力于探寻系外类地行星，还致力于探寻系外类地行星中可能存在的生命体。然而，2018年10月美国正式宣布Kepler Mission空间望远镜停止使用，TESS看作是Kepler Mission空间望远镜青出于蓝而胜于蓝的“接班人”，使得行星形成的气体吸积演化过程数据来源得到不断完善及更新。基于天文观测卫星成功升空所获取的数据，一方面为研究人员研究行星形成的气体吸积演化过程提供了“原材料数据”、理论数据支撑及具体的研究方向，比如：系外行星在密度、半径、内部结构等不同时或者相同时其原行星盘环境有何差异？考虑生命体的存在将对行星形成的气体吸积演化过程有何影响？另一方面，成为推动行星形成的气体吸积演化过程的理论研究进程的重要动力。

3.2 基于“核吸积模型”理论的行星大样本演化

随着天文观测卫星的成功升空及投入使用，研究人员收集到不少系外行星的相关数据及星空图。研究人员在对观测数据及星空图的研究处理中，基于“核吸积模型”理论的行星大样本演化研究方法在国际上颇具影响力[4]。

在行星大样本演化中，研究人员基于观测数据及前人的理论基础，模拟出大量初始状态不同的原行星盘环境，并将不同的物理过程加入演化过程。通过漫长的演化，研究人员间接得到基于“核吸积模型”理论的气体吸积演化过程的相关数据。

基于行星大样本演化，一方面研究人员将演化数据结果与观测数据进行对比，将更为直接地验证行星形成的气体吸积演化过程的理论研究的正确性，进而增加该理论研究的说服力；另一方面，在行星大样本演化中研究人员通过改变原行星盘环境的初始状态及演化过程中的物理过程，进一步细化和改变行星形成的气体吸积演化过程的理论研究方向，为该理论研究进程取其精华去其糟粕，进而使其逐步朝着正确的方向前进。

4 对气体吸积演化过程理论研究进程的优化

4.1 发展观测设备

由于行星形成的气体吸积演化过程的理论研究及推进依靠于观测数据的更新，因此持续发展观测设备尤为重要。目前在国际上的观测设备主要有光学望远镜，其内部结构将影响观测数据的准确性及精确程度。在望远镜的优化进程中，分辨率及灵敏度为其中的两个切入点。一是望远镜的分辨率，分辨率高、分辨能力好的望远镜能观测到更大的系外宇宙环境，并能在较暗的系外宇宙环境中收集获取更为清晰的星空图。在该优化过程中，处理好望远镜口径与分辨率的关系成为关键点，比方位于中国贵州省的“天眼”——500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST），属于射电望远镜，口径长达500 m，较好地解决了空间望远镜对口径的限制。上述实例表明，如何更好地优化望远镜的分辨率和分辨能力仍是一个值得研究人员深入探究的问题。二是望远镜的灵敏度，具有较高的灵敏度能观测到更小的系外能量值。一方面观测设备的发展，为研究行星形成过程提供“原材料数据”及理论数据支撑；另一方面研究人员通过对观测数据的研究处理，为发展观测设备提供具体的改进方向；这就形成了相互促进的过程。与此同时，也要做好观测设备的维护工作。Kepler Mission空间望远镜在2009年成功升空，然而美国在2018年就宣布其停止使用。在早期发射的HST也在2021年停止了工作。然而上述天文观测卫星仅在前期就投入大量资金，比如HST仅在前期设计时美国就拨付了2.3亿元（折算成人民币）。如果观测设备由于维护不当而导致其无法正常运行，不但资金损失将难以估量，而且更为严重的是部分系外行星的数据获取需要持续一段时间，观测工作的突然中断将会严重影响到研究人员的探究进程。在维护过程中，除了要提高研究人员自身的知识技术水平外，研究人员对维护观测设备的态度也同样重要。

综上表明，发展观测设备是使研究进程不中断的重要保障，持续发展观测设备尤为重要。

4.2 解决国家间的“垄断问题”从而把更多的物理过程加入行星大样本演化中

推进基于“核吸积模型”理论的行星大样本演化进程中，发展观测设备尤为重要，其将使研究人员获得更为精确的研究数据，对所得数据的处理及充分利用也同为重要。在对数据进行处理和利用时，除了提高研究人员自身的知识水平及科研能力外，如果能有效解决国家间的“垄断问题”，也不失为一个更快捷的解决方案，这主要是由于以下两个方面的原因：一方面，虽然目前在国际上研究人员已发现不少的系外行星，然而对于浩瀚的宇宙而言目前的观测数据依然十分有限，此外是对于某些关键信息的获取及处理在国家间存在一定的差异，使得各自研究中的行星大样本演化过程也随之存在差异；另一方面，基于行星大样本演化的原行星盘环境模拟是一个十分漫长的演化过程，如果能在国家间进行相关数据的交流与共享，并把研究人员的力量聚集在一起，使其形成一股更为强大的科研力量，不仅能节约时间成本，还将使得相对有限的数据得到更为充分的处理及利用，进而将更多的物理过程加入行星大样本演化过程，推进行星形成的气体吸积演化过程的研究进程。

4.3 提高数值模拟研究方法的应用能力

基于磁流体动力学及“核吸积模型”理论的数值模拟为国际上常用的研究方法，该研究方法的应用能力的提高依然为国际上的研究重点。首先，国内研究人员在气体吸积演化过程方面的数值模拟依然较为匮乏；其次，因为在处理观测数据时其数量级极大且复杂，所以仅依靠人为计算将难以保证运算的准确性及效率。因此数值模拟代码的编写成为其中一个重要的突破口，但其亦为一个国际难题。

5 结束语

随着天文观测卫星的成功升空及投入使用，研究人员发现了不少系外行星，并发现其密度、半径、内部结构等存在一定的差异，进一步激起了研究人员对行星形成的探究兴趣。

基于前人的理论基础及观测数据，研究人员提出“核吸积模型”理论，基于该理论模型的气体吸积演化过程亦为研究人员的探究重点之一。基于“核吸积模型”理论的行星大样本演化研究方法中，研究人员通过对演化结果与观测数据进行对比，进而验证和推动气体吸积演化过程的理论研究进程。

在气体吸积演化过程的研究进程中，观测设备的发展及维护是推动该研究进程持续前进的重要保障。提高研究人员对观测数据的处理及利用同为重要：一是能有效解决国家之间数据的“垄断问题”，进行相关数据的交流与共享，将使气体吸积演化过程的理论研究在国家间得以取长补短并精益求精；二是提高数值模拟能力，其代码的编写成为关键的突破口。分析结论表明行星形成的气体吸积演化过程的研究进程在稳步前进且充满挑战性。