王欣明：提出原行星盤演變新算法

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太陽系緣起何處？地球等行星又是如何形成？如果要回答這些問題，我們的目光可能就要穿越浩瀚宇宙的變遷，追溯到太陽、行星及其他恒星、行星系統的初始狀態，“星云假說”、原行星盤就會進入我們的視野。

在原行星盤如何演變形成行星的研究中，西安電子科技大學物理學院講師王欣明提出了一種新的原行星盤演變計算方法，其研究成果近期在國際天文學及天體物理學領域頂級期刊《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）發表。這項研究成果獲得國家自然科學基金和國際合作平臺的支持。

西安電子科技大學講師王欣明博士。受訪者供圖

《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）封面。

行星誕生的搖籃

行星的形成、原行星盤的演變、太陽系的起源，這些看起來浪漫又神秘的領域是王欣明目前的研究范疇。

什么是原行星盤？行星又如何形成？

在年輕恒星的周圍，由氣體和塵埃組成的氣體盤被稱為原行星盤，它被視作“行星的搖籃”。

以太陽系為例。此前學界普遍認為，大約在距今46億年前，太陽系所在的地方還只是一片漂浮在宇宙中充滿氣體和塵埃的分子云。當它坍縮后，中心氣體形成原初太陽，殘余物質圍繞中心旋轉形成一個扁平的圓盤，即原行星盤。行星也就孕育其中。

 原行星盤的藝術想象圖 。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

自20世紀中期以來，關于行星形成的問題，最為廣泛接受的理論認為原行星盤中的塵埃顆粒會互相碰撞、粘連在一起，構成巖石狀的天體，稱為“星子”。這些星子會持續不斷地長大，最終成為行星核。

“如果行星核生長得足夠快、質量足夠大，就會依靠自身引力把盤中剩余的氣體攫取過來，成為像木星和土星這樣的巨行星；而如果行星核的質量不夠大，就會形成比較小的、由巖石構成的行星，例如地球。” 王欣明講解說。

然而，隨著越來越多的太陽系外行星被觀測到，人們發現行星系統呈現出了多樣性和復雜性的特征。

作為“行星搖籃”的原行星盤對行星系統的特征會產生怎樣的影響？王欣明決定一探究竟。

一個問號的8年探究

“原行星盤的自身引力是否會影響盤的結構，進而影響行星的形成？”

仿佛流星突然劃過夜空，這樣的問題曾突然在王欣明的腦海里蹦了出來。

在原有的原行星盤演變研究中，學界研究者們大多關注于恒星及原行星盤的“青壯年”時期，但對“嬰幼兒”或者“少年”時期卻關注較少。

“原有原行星盤面密度演變方程沒有考慮盤的自身引力，這用于研究晚期原行星盤是足夠合理的，因為那時候的恒星經過長時間的吸積，質量很大，但原行星盤質量很小，約為恒星的1%，其引力只能產生很小的擾動，可以忽略不計。”這是天體物理學界普遍的認知觀點。

然而，在閱讀文獻的過程中，王欣明卻發現有的原行星盤質量達到甚至超過了恒星的10%，此時原行星盤的自身引力就不可以再被忽視了。

這樣就可以從此點揭示出原行星盤中氣體偏離開普勒運動的細節。

“由于之前的知識積累，包括對原行星盤研究的關注，我覺得這個問題應該很好解答，可以試試。”2015年，王欣明信心滿滿地開始了自己對原行星盤演變的新的驗證，在原有一維原行星盤演變以面密度為主要計算內容的方程式中，試圖加入新的因素，以驗證他對于“可以揭示氣體偏離開普勒運動細節”的猜想，“我當時覺得，一年時間就能得出結論”。

但是，實際的演算卻并不像王欣明想的那么簡單。嘗試、失敗、嘗試、失敗……一年、兩年、三年，他試驗的各種方案最終都未能完成他的期待……即便如此，他卻從未想過放棄。

“就是好奇，我就想看看最后到底能算出什么樣的結果，就算最后的結果很普通，不那么重要，那也是有一個答案。”，王欣明堅持8年反復嘗試推算。

在不斷試錯的過程中，流體力學的基本原理仿佛一顆“幸運星”闖進了王欣明的視野，思路也隨之打開。

在計算原行星盤面密度的同時，王欣明成功引入了角速度、徑向速度和溫度的計算，以更為全面的方程組的形式解答原行星盤結構隨時間推移產生的變化。同時，也揭示氣體偏離開普勒運動的細節。

新的原行星盤演變算法

最初期，隨著分子云核的坍縮，原行星盤和恒星開始形成并共同成長。此時，恒星的質量還并不大，原行星盤質量較易出現達到甚至超過恒星質量10%的情況，原行星盤自身的引力就會對盤的演變產生影響，王欣明解釋道：“我把原行星盤按照盤自身引力的強弱分了三類，第一類是引力很小，可以忽略不計；第二類是中等引力，這時候可以在原行星盤內產生旋臂，能夠起到輸運角動量的作用；第三類是我著重研究的類型，引力很強的原行星盤，會導致在半徑某一個區間內，原行星盤里的氣體和塵埃因為引力而聚集在一起，并永遠這么‘抱團’。”

引力的“加盟”仿佛打開了王欣明的“任督二脈”，但從只考慮面密度的方程式，到全面考慮面密度、角速度、徑向速度和溫度的方程組，計算的數量和難度都呈指數級的增長。

“新的演變模型要考慮原行星盤自身引力和分子云核坍縮的影響，所以推導了原行星盤的演變方程組。這一方程組是一組非線性偏微分方程，只能通過數值方法進行求解，因此我編寫了數值計算程序”，王欣明輕描淡寫提到的數值計算程序由他自己編寫完成。得益于這樣的求解方程工具，計算變得沒有那么復雜。

其后，王欣明順利地通過數值求解方程組得到了盤結構的演變、盤中物質偏離開普勒運動的細節等結果。

在這一新的原行星盤演變模型中，由于加入了更多考量因素，王欣明意外地發現了演變過程中的新現象，比如，高密度區域的形成，高密度區域和原行星盤內部之間形成的空隙。這一空隙的形成機制與原有研究中的并不相同，“之前發現的空隙的形成多是基于原行星和原行星盤的相互作用，新的演變方程組的計算結果表明，原行星盤自身引力也可以導致空隙的形成，這對原行星盤和行星形成的觀測會提供一些不同的思路”。

在此之前，觀測到原行星盤中的空隙時，研究者會思考去尋找導致空隙產生的原行星，但王欣明這一新的原行星盤演變計算結果卻為此提供了一種新的可能：當原行星盤中空隙的觀測并不能引導找到原行星時，很有可能是盤自身引力的影響。

原行星盤面密度的演變。受訪者供圖

“科學研究就是這樣，會有很多突發奇想，會有很多失敗，也會有很多驚喜和意外收獲，可能這就是做科研的魅力所在。”對王欣明而言，他早已將小時候夜晚抬頭仰望星空的憧憬積淀為內心對天體物理學的熱愛和堅持。

浩瀚宇宙還有太多未解之謎，王欣明愿意一直做一個不斷去尋找答案、探索未知的人。