原行星盘是行星形成的摇篮，行星形成过程中尘埃的聚集和演化深受盘内动力学环境影响。星子是行星形成过程中的关键中间体，由细小尘埃颗粒和固态冰雪物质聚集而成，其尺度通常为103至105米，被认为是行星胚胎的前身。但当前，行星形成模型在描述星子形成过程中存在较大不确定性。星子通过相互引力作用碰撞与并合，最终形成原始行星或行星内核。但是，在“米级障碍”限制下，厘米级尘埃颗粒因范德华力较弱，导致粘附不足且受气体压强作用，进而径向漂移或尘埃自身碰撞碎裂，难以继续增长形成星子。经典理论和数值模拟研究发现，穿流不稳定性可在气体-尘埃相互作用下，在局部促进尘埃高度聚集，引发引力坍缩并形成星子。然而，原行星盘中普遍存在由流体不稳定性产生的湍流扰动，被学界认为会破坏穿流不稳定性驱动的星子形成。
近日，中国科学院紫金山天文台副研究员黄平辉团队联合清华大学教授白雪宁，通过高分辨率三维全局多流体模拟，揭示了原行星盘中四种流体不稳定性共存并协同作用，可在真实湍流背景下有效促进尘埃汇聚，进而驱动星子形成。
研究人员基于磁流体代码Athena++与自主开发的多流体模块，并使用自适应网格加密技术，开展了大规模高分辨率的三维全局多流体模拟。研究首次展示了垂直剪切不稳定性、穿流不稳定性、罗斯贝波不稳定性以及开尔文–亥姆霍兹不稳定性四种不稳定性在原行星盘中共存。尽管垂直剪切不稳定性、罗斯贝波不稳定性及开尔文–亥姆霍兹不稳定性产生了一定程度的湍流，但它们不会削弱，反而通过协同作用显著增强穿流不稳定性驱动尘埃团块形成效率。
该研究表明，在原行星盘中，尘埃在真实复杂的气体动力学环境下可有效聚集，并突破传统“米级障碍”形成星子。这一研究为理解星子及行星起源提供了重要理论支撑。
相关研究成果分别发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）和《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会的支持。
论文链接：1、2
三维全局多流体模拟展示垂直剪切不稳定性、穿流不稳定性、罗斯贝波不稳定性及开尔文–亥姆霍兹不稳定性在原行星盘中可共存，形成多处高密度尘埃团块，为星子形成提供条件。
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