Polak和Klahr對(duì)小行星質(zhì)量分布的預(yù)測(cè)（紅圈）與觀測(cè)（白圈）之間的比較。橫軸顯示了所討論小行星的學(xué)家系行星形大小，縱軸顯示了卵石云總質(zhì)量的模擬北京豐臺(tái)區(qū)商務(wù)伴游（商務(wù)模特）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務(wù)快速安排面到付款不收定金一部分，最終形成了大于或等于選定大小的個(gè)關(guān)小行星。如果總質(zhì)量最終形成一顆小行星，鍵階那么這顆小行星的天文太陽(yáng)直徑將為152公里。根據(jù)預(yù)測(cè)和觀測(cè)結(jié)果，學(xué)家系行星形小行星總質(zhì)量的模擬84%最終落在直徑在90公里到152公里之間的天體上。總體而言，個(gè)關(guān)原始小行星的鍵階質(zhì)量遵循正態(tài)（高斯）分布（藍(lán)線），最有可能的天文太陽(yáng)大小為125公里。所有預(yù)測(cè)都假設(shè)每個(gè)卵石云的學(xué)家系行星形初始質(zhì)量相同。(H.Klahr/MPIA)
（神秘的模擬地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（作者：Max Planck Society）：海德堡大學(xué)的布魯克·波拉克（Brooke Polak）和馬克斯·普朗克天文研究所（Max Planck Institute for Astronomy，MPIA）的個(gè)關(guān)休伯特·克萊爾（Hubert Klahr）通過比以往任何時(shí)候都更精細(xì)的模擬，模擬了太陽(yáng)系行星形成的鍵階一個(gè)關(guān)鍵階段：厘米大小的鵝卵石聚集成數(shù)十至數(shù)百公里大小的所謂小行星。該模擬再現(xiàn)了星子的初始尺寸分布，可以與目前小行星的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。它還預(yù)測(cè)了太陽(yáng)系中近距離雙星的普遍存在。
在arXiv上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，海德堡大學(xué)的天體物理學(xué)家布魯克·波拉克（Brooke Polak）和馬克斯·普朗克天文研究所（Max Planck Institute for Astronomy）的赫伯特·克拉爾（Hubert Klahr）利用模擬推導(dǎo)出所謂小行星的關(guān)鍵財(cái)產(chǎn)，即大約45億年前太陽(yáng)系中行星形成的中等大小的天體。
使用一種模擬星子形成的創(chuàng)新方法，這兩位研究人員能夠預(yù)測(cè)太陽(yáng)系中星子的北京豐臺(tái)區(qū)商務(wù)伴游（商務(wù)模特）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務(wù)快速安排面到付款不收定金初始尺寸分布：在大約10公里至200公里的不同“尺寸范圍”內(nèi)，可能形成了多少個(gè)。
今天太陽(yáng)系中的幾組天體，特別是主帶小行星和柯伊伯帶天體，是沒有形成行星的星子的直接后代。通過對(duì)主帶小行星初始尺寸分布的現(xiàn)有重建，Polak和Klahr能夠確認(rèn)他們的預(yù)測(cè)確實(shí)與觀測(cè)相符。
此外，他們的模型成功地預(yù)測(cè)了離太陽(yáng)較近的星子與離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的星子之間的差異，并預(yù)測(cè)了有多少星子是二元星子。
從塵埃到行星的行星形成
恒星周圍的行星形成分為幾個(gè)階段。在初始階段，圍繞新星旋轉(zhuǎn)的原行星盤中的宇宙塵埃顆粒在靜電（范德華）力的作用下聚集在一起，形成幾厘米大小的所謂鵝卵石。在下一階段，鵝卵石結(jié)合在一起形成星子：直徑在幾十到幾百公里之間的太空巖石。
對(duì)于這些更大的物體，引力如此強(qiáng)大，以至于單個(gè)星子之間的碰撞形成了更大、受引力約束的固體宇宙物體：行星胚胎。這些胚胎可以繼續(xù)增生小行星和鵝卵石，直到它們變成像地球一樣的類地行星。有些人可能會(huì)繼續(xù)積累大量的氫氣，形成所謂的氣態(tài)巨行星，比如木星，或者是天王星。
當(dāng)星子沒有變成行星
并非所有的星子都成為行星。太陽(yáng)系歷史的一個(gè)階段涉及新形成的木星，今天是太陽(yáng)系最大的行星，向內(nèi)遷移，朝向更接近太陽(yáng)的軌道。這一遷移破壞了其附近的行星形成，木星的重力阻止了附近的星子演化成行星胚胎。天王星和海王星也遷移，但向外遷移到更遠(yuǎn)的軌道，因?yàn)樗鼈兣c它們之外的星子相互作用。
在這個(gè)過程中，他們將一些更遙遠(yuǎn)、冰冷的小行星分散到太陽(yáng)系內(nèi)部，一些則向外。一般來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)離太陽(yáng)，小行星之間的典型距離太遠(yuǎn)，即使是相對(duì)較小的類地行星也無(wú)法形成行星胚胎。在那個(gè)距離的大多數(shù)星子根本沒有到達(dá)行星胚胎階段。
最終，我們的太陽(yáng)系最終形成了幾個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域包含了遺留下來(lái)的星子或它們的后代：火星和木星之間的主要小行星帶既包含了木星阻止形成胚胎的星子，也包含了天王星和海王星向內(nèi)散布的星子。
柯伊伯帶的圓盤狀結(jié)構(gòu)，距離太陽(yáng)30至50天文單位，包含太遠(yuǎn)而無(wú)法被天王星和海王星的遷移所干擾的星子，其中約有700000顆大小超過100公里。這是大多數(shù)造訪太陽(yáng)系內(nèi)部的中周期彗星的來(lái)源。更遠(yuǎn)處，在所謂的奧爾特云中，是天王星-海王星遷移而向外散射的天體。行星形成模擬的局限性
模擬從厘米大小的鵝卵石到星子的過程是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。直到大約十年前，當(dāng)時(shí)還不清楚這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的，當(dāng)時(shí)的模擬并不允許鵝卵石生長(zhǎng)超過一米左右。這個(gè)特殊的問題已經(jīng)解決了，因?yàn)槿藗円庾R(shí)到原行星盤中的湍流運(yùn)動(dòng)將足夠多的鵝卵石聚集在一起形成更大的物體。但所涉及的不同尺度仍然使得行星形成的模擬非常困難。
連續(xù)體模擬通過將空間劃分為一個(gè)獨(dú)立區(qū)域的網(wǎng)格來(lái)模擬原行星盤，這是將平面劃分為棋盤圖案的三維模擬。然后使用流體動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算物質(zhì)如何從每個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞流向相鄰細(xì)胞，以及在這一過程中物質(zhì)財(cái)產(chǎn)如何變化。但為了獲得有意義的結(jié)果，需要模擬直徑數(shù)十萬(wàn)公里的原行星盤的一部分。根本沒有足夠的計(jì)算能力使“棋盤圖案”足夠小，無(wú)法同時(shí)模擬單個(gè)星子的千米級(jí)結(jié)構(gòu)。
一種替代方法是將鵝卵石組建模為單獨(dú)的“超級(jí)粒子”，然后在它們彼此接近超過1000公里的極限時(shí)將它們合并成單點(diǎn)狀物體。但這種方法未能捕捉到星子形成的另一個(gè)重要方面：接近的二元星子，在那里，兩個(gè)星子彼此緊密環(huán)繞，甚至以“接觸雙星”的形式聚集在一起。
模擬“卵石氣體”
Polak和Klahr進(jìn)行的模擬朝著不同的方向發(fā)展，借用了一個(gè)看似無(wú)關(guān)的物理模型中的概念：氣體的動(dòng)力學(xué)描述，其中無(wú)數(shù)分子高速飛行，它們與容器側(cè)面的碰撞累積地對(duì)容器壁施加壓力。
當(dāng)氣體溫度足夠低且壓力足夠高時(shí)，氣體經(jīng)歷所謂的相變，變成液體。在某些條件下，相變可以將物質(zhì)直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。
Polak和Klahr的模擬處理了原行星盤中坍縮云中的小卵石，類似于這種氣體的粒子。他們沒有明確地模擬不同卵石群之間的碰撞，而是給它們的“卵石氣體”分配了一個(gè)壓力。對(duì)于所謂的狀態(tài)方程，即壓力是密度的函數(shù)，他們選擇了一種所謂的絕熱狀態(tài)方程，這種方程在球?qū)ΨQ的情況下，具有與地球相似的密度結(jié)構(gòu)。
有了這種選擇，鵝卵石氣體也會(huì)發(fā)生相變：在低密度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種“氣相”，在這種“氣相中，分離的鵝卵石會(huì)四處飛行并頻繁碰撞。增加密度，你就可以過渡到“固相”，在那里鵝卵石形成了固體星子。卵石氣體何時(shí)變?yōu)楣腆w的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是卵石的引力是否大于碰撞所承受的壓力。
行星的財(cái)產(chǎn)取決于與太陽(yáng)的距離
Hubert Klahr團(tuán)隊(duì)的早期工作表明，星子的形成總是從原行星盤內(nèi)的一團(tuán)致密的鵝卵石開始，并在其自身坍塌，同時(shí)也為這些單獨(dú)坍塌區(qū)域的大小提供了具體的數(shù)值。在這項(xiàng)新的研究中，波拉克和克拉爾觀察了這樣一個(gè)坍縮區(qū)域的幾個(gè)版本，每個(gè)版本都與太陽(yáng)相距不同的距離，開始的距離與水星的軌道一樣近，結(jié)束的距離與海王星一樣遠(yuǎn)。
由于他們的簡(jiǎn)化方程比超級(jí)粒子碰撞模型復(fù)雜得多，研究人員能夠利用他們現(xiàn)有的計(jì)算能力來(lái)模擬比以往任何時(shí)候都更精細(xì)的細(xì)節(jié)，精確到雙星可以形成接觸雙星的尺度。
先前的模擬缺乏追蹤這些精細(xì)細(xì)節(jié)的能力，只能假設(shè)兩個(gè)盡可能接近形成緊密雙星所需的星子會(huì)演變成一個(gè)單一的無(wú)結(jié)構(gòu)物體，從而完全錯(cuò)過這些緊密雙星。
預(yù)測(cè)星子的大小分布
他們的結(jié)果描繪了整個(gè)星子形成的有趣圖景。離太陽(yáng)的距離是關(guān)鍵：離太陽(yáng)很近的塌陷區(qū)域只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小星子。在更遠(yuǎn)的距離上，每個(gè)坍縮區(qū)域?qū)⑼瑫r(shí)形成越來(lái)越多的星子。此外，最大的星子離太陽(yáng)最近。
在地球與太陽(yáng)之間的距離處，由坍塌的卵石云所產(chǎn)生的最大的星子，其質(zhì)量比在更遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生的星子大約30%，體積大10%。總的來(lái)說(shuō)，星子的生產(chǎn)被證明是非常有效的，無(wú)論太陽(yáng)系中的位置如何，90%以上的可用鵝卵石最終都會(huì)形成星子。
模擬對(duì)星子大小分布的預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的。當(dāng)然，即使是主帶小行星，在過去的十億年里，生命也在繼續(xù)，無(wú)數(shù)次碰撞將更大的小行星破碎成更小的碎片。但是，旨在從今天看到的情況重建初始尺寸分布的分析得出的結(jié)果與新的模擬結(jié)果非常相似。
布魯克·波拉克說(shuō)：“以前人們認(rèn)為小行星的初始大小分布反映了卵石云的質(zhì)量分布。”，“因此，我們非常驚訝的是，我們的模擬始終使用相同的卵石云初始質(zhì)量，在年的引力坍縮期間，小行星的質(zhì)量分布與觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的相同。這極大地改變了在太陽(yáng)星云中形成卵石云的過程的約束。”
換言之：對(duì)太陽(yáng)系最早期階段的模擬將不需要擔(dān)心獲得卵石云的大小，這樣星子的形成將自行處理適當(dāng)?shù)拇笮》植肌?br>雙星和衛(wèi)星
Polak和Klahr的模擬構(gòu)建了對(duì)細(xì)節(jié)的觀察，這也產(chǎn)生了關(guān)于二元星子的前所未有的結(jié)果，成對(duì)的星子彼此環(huán)繞。一半的聯(lián)星彼此非常接近，它們的相互距離小于星子本身直徑的四倍。
對(duì)雙星的流行程度和財(cái)產(chǎn)的預(yù)測(cè)，包括帶有額外小“衛(wèi)星”圍繞其旋轉(zhuǎn)的雙星，與觀測(cè)到的太陽(yáng)系外圍柯伊伯帶天體的財(cái)產(chǎn)以及主星系小行星的屬性完全吻合。
其中一個(gè)預(yù)測(cè)是，在早期，緊密的雙星會(huì)大量形成，因?yàn)轾Z卵石會(huì)聚集成星子，而不是通過后來(lái)的近距離碰撞和其他相互作用形成。美國(guó)宇航局于2021發(fā)射的“露西”號(hào)太空任務(wù)將為驗(yàn)證這一預(yù)測(cè)提供一個(gè)特別有趣的機(jī)會(huì)。
Hubert Klahr說(shuō)：“并非所有的星子都以小行星或柯伊伯帶為終點(diǎn)。有些星子被困在與木星本身共軌的軌道上，也就是所謂的特洛伊人。”。“露西號(hào)任務(wù)將在未來(lái)幾年內(nèi)訪問其中幾顆小行星。2033年3月，它將在小行星帕特羅克洛斯和門諾提烏斯之間搖擺。每顆小行星的大小為100公里，兩顆小行星的軌道距離僅為680公里。我們的預(yù)測(cè)是，這兩顆小行星將具有相同的顏色和外觀，正如我們預(yù)計(jì)的那樣，它們是由同一顆鵝卵石云形成的。從出生起就是同一對(duì)雙胞胎。”
未來(lái)研究方向
目前對(duì)波拉克和克拉爾的模擬只考察了海王星當(dāng)前軌道附近的星子形成。接下來(lái)，兩位研究人員計(jì)劃在更遠(yuǎn)的距離探索太陽(yáng)系的早期歷史。雖然目前的模擬已經(jīng)產(chǎn)生了像接觸雙星Arrokoth這樣的物體，NASA的新視野號(hào)探測(cè)器在2019年訪問了冥王星-卡龍系統(tǒng)后訪問了它，但很有意思的是，看到這樣的物體是如何在Arrokoth的實(shí)際軌道距離形成的，距離太陽(yáng)的距離是地球的45倍（而不是海王星的30倍）。
目前模擬的另一個(gè)限制是，星子只能形成不同大小的完美球體。一個(gè)更復(fù)雜的狀態(tài)方程，其中包含了固體保持形狀的能力，可以描述具有多孔冰和塵埃混合物財(cái)產(chǎn)的物體。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算可以擴(kuò)展到各種形狀的星子，從而在我們對(duì)太陽(yáng)系形成的理解和觀測(cè)之間提供更多細(xì)節(jié)。

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