气态巨行星的起源—原行星盘物理化学特征与行星形成的联系

Although the observational data of gas giant planets are becoming more and more abundant, the formation mechanism of these planets is still controversial. Theoretically, there are two modes for gas giant planet formation, core accretion and gas disk gravitational instability. The roles of these two formation mechanisms on planet formation and evolution are less clear. So population synthesis models are unable to completely explain the statistical distribution of gas giant planets based on the observations. Gas giant planets are born in protoplanetary disks. Therefore, the disk properties must be considered when we determine the formation mechanism of gas giant planets. We have investigated the influence of the initial conditions and physical properties of protoplanetary disks on the properties of gas giant planets formed by the core accretion mode. This project intends to further study the properties of disk fragmentation and its influence on the properties of the gas giant planets form by the gravitational instability mode. We also notice that circumplanetary disks around young giant planets formed by core accretion and disk instability have significant differences in chemical properties. This project will study the formation of early planetary atmospheres of gas giant planets and connect disk astrochemistry to composition of early planetary atmospheres. We will determine the formation mechanism of gas giant planets according to the chemical properties of the planets. Finally, we will explain the mass-orbit relations of gas giant planets and the statistical properties of the chemical composition of early planetary atmospheres.

尽管系外气态巨行星的观测数据日益丰富，但是它们是如何形成的仍然存在争议。理论上，气态巨行星的形成有两种模式：核吸积和气体盘的引力不稳。然而这两种形成模式在气态巨行星形成中扮演的角色仍不清楚，并且分别基于这两种模式下的行星种群合成统计始终无法完美解释基于气态巨行星观测的统计分布。气态巨行星在原行星盘中形成，因此在确定它们的形成机制时必须考虑原行星盘的性质。本项目申请人研究了原行星盘初始条件及物理性质对核吸积模式下气态巨行星性质的影响。在此基础上，本项目拟进一步研究盘的碎裂性质及它对引力不稳模式下气态巨行星性质的影响。另外，满足核吸积或引力不稳模式的原行星盘和环行星盘的化学性质显著不同。本项目拟从原行星盘化学演化的角度研究气态巨行星早期大气化学组成及元素丰度的演化特征，进而根据行星的化学特征揭示气态巨行星的形成机制。基于上述研究，本项目拟解释气态巨行星质量—轨道半径及大气化学组成统计分布。

尽管系外气态巨行星的观测数据日益丰富，但是它们是如何形成的仍然存在争议。气态巨行星在原行星盘中形成，因此在确定它们的形成机制时必须考虑原行星盘的性质。根据原行星盘的驱动机制和形成背景的不同，目前在理论上大致有三类原行星盘，即磁转动不稳盘、磁驱动盘风盘和外恒星光致蒸发盘。根据现有的观测数据，这三类盘都无法完全解释盘的观测特征。原行星盘在分子云中，通过分子云核的引力坍塌而形成。分子云核的物理性质一定影响原行星盘的形成和演化。本项目通过研究分子云核的多样性和原行星盘演化多样性之间的关系，结合原行星盘的观测特征推测原行星盘的演化机制。为进一步研究气态巨行星的形成机制打基础。已经在外光蒸发盘的研究中取得进展。研究确定外光蒸发速率随分子云核转动速度的增大而增加。星团中温度的分布同样会影响外光蒸盘的演化。致密星团中的恒星数量多，星团温度一般较高。这类星团中，外光蒸效应受到抑制；即使在大质量恒星作用下，星团背景温度高于100k，其中仍然有原行星盘可以存活。项目对星团中外光蒸发盘演化的研究能解释四边形星团中原行星盘的尺寸分布以及盘吸积率和恒星质量之间的比例关系。研究还揭示了NGC1333中小质量原行星盘是如何在较强背景辐射下存活的问题。项目研究对通过毫米波观测确定原行星盘质量具有借鉴意义。