苏黎世大学 艺术家对带有磁力线的原行星盘的印象
信用:让·法夫尔·CSCS
在过去的25年里，科学家们已经发现了超过4000颗太阳系以外的行星
从相对较小的岩石和水世界到炽热的气态巨行星，这些行星呈现出惊人的多样性
这种变化并不意外
科学家用来研究行星形成的复杂计算机模型，也孕育了非常不同的行星
模型更难解释的是观察到的其他恒星周围行星的质量分布
大多数都属于中等质量类别——质量为几个地球质量的行星，大约相当于海王星的质量
即使在太阳系的背景下，天王星和海王星的形成仍然是个谜
与瑞士NCCR行星有关的苏黎士大学和剑桥大学的科学家们现在提出了一个由综合模拟支持的替代解释
他们的结果发表在科学杂志《自然天文学》上
两种截然不同的力量
“当行星由所谓的气体和尘埃的原行星盘形成时，引力不稳定性可能是驱动机制，”该研究的合著者、苏黎士大学计算天体物理学教授、NCCR行星成员卢西奥·迈尔解释道
在这个过程中，圆盘中的尘埃和气体由于重力聚集在一起，形成密集的螺旋结构
这些然后成长为行星积木，最终成为行星
这个过程发生的规模非常大——跨越了原行星盘的规模
“但是在更短的距离上——单个行星的规模——另一种力量占主导地位:沿着行星发展的磁场，”迈尔阐述道
这些磁场搅动了圆盘中的气体和尘埃，从而影响了行星的形成
“为了获得行星形成过程的完整图像，重要的是不仅要模拟圆盘中的大尺度螺旋结构
该研究的第一作者、梅耶尔的前博士生、现剑桥大学研究员邓洪平说:“还必须包括不断增长的行星积木周围的小规模磁场。”
很难同时掌握 然而，重力和磁力在规模和性质上的差异使得这两种力很难整合到同一个行星形成模型中
到目前为止，计算机模拟很好地捕捉到了其中一种力的效果，但对另一种力的效果通常很差
为了取得成功，该团队开发了一种新的建模技术
这需要许多不同领域的专业知识:首先，他们需要对重力和磁力有深刻的理论理解
然后，研究人员必须找到一种方法，将这种理解转化为一种代码，这种代码可以有效地统一计算这些对立的力量
最后，由于大量的必要计算，需要一台功能强大的计算机——就像瑞士国家超级计算中心(CSCS)的“皮兹戴恩”
“除了我们开发的理论见解和技术工具，我们还依赖于计算能力的进步，”卢西奥·迈尔说
一个几十年的谜题解开了？ 尽管困难重重，但一切都在正确的时间走到了一起，并取得了突破
“通过我们的模型，我们第一次能够证明磁场使得正在生长的行星难以继续积累超过某一点的质量
结果，巨型行星变得更加稀少，中等质量的行星变得更加频繁——类似于我们在现实中观察到的，”邓洪平解释道
“这些结果只是第一步，但它们清楚地表明了在行星形成模拟中考虑更多物理过程的重要性
我们的研究有助于理解我们银河系中常见的中等质量行星形成的潜在途径
该研究的合著者、苏黎士大学理论天体物理学教授、NCCR行星协会成员拉维特·海勒德总结道:“这也有助于我们全面理解原行星盘。”
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