木星和土星形成的研究

There are two models of formation of gas giant planets (Jupiter and Saturn): the core accretion model and the disk instability model. Both models have advantages and disadvantages. At present, the core accretion model is more widely accepted. The discovery of extrasolar planets enhances the enthusiasm in the study of planet formation. In this project, we will investigate a few problems in the theory of formation of Jupiter and Saturn. The great challenge for the core accretion model is that the calculated formation timescale of gas giant planets is too long. We will search for physical mechanisms which shorten the timescale. Currently, the factors determining the final mass of a giant planet are not entirely clear. It is thought that a combination of disk thickness, viscosity, and photoevaporation plays a significant role in determining final masses of gas giant planets. We plan to study these factors and other factors and to calculate the masses of Jupiter and Saturn. We intend to study the effects of the snowline on planet formation and water distribution in the solar system. The feasibility of the disk instability model of formation of gas giant planets is controversial. We will study the feasibility.

目前气态巨行星（木星和土星）的形成有两种模型：一种是核吸积模型；另一种是盘不稳定模型。这两种模型有各自的优势，同时也有各自的问题。目前还是核吸积模型被更为广泛的接受。太阳系外行星的发现加强了行星形成的研究热情。本项目是在木星和土星形成理论里研究几个难题。核吸积模型面临的一大挑战是计算得到的气态巨行星的形成时标过长，我们将探索什么样的物理机制能缩短时标。到目前为止，决定巨行星最终质量的所有因素是什么还不完全清楚。大家认为星云的厚度、粘滞以及光致蒸发的组合在决定气态巨行星的最终质量中起了重要作用。我们计划详细研究这些因素并且探索还有哪些未考虑到的物理因素，从而计算木星和土星的质量。我们计划研究雪线在行星形成和太阳系水分布起源中所起的作用。气态巨行星形成的盘不稳定模型的可行性是一个有争议的问题，我们将研究盘不稳定模型的可行性。

本项目是在气态巨行星（包括木星和土星）形成理论这个大领域里面研究了几个重要的问题。我们研究了系外行星的多样性，通过对系外行星的研究，可以帮助我们理解太阳系中的行星是如何形成的。我们指出系外行星系统的多样性可能和分子云核的多样性有关。我们计算了盘子的特性对分子云核特性的依赖关系，并且用行星形成的核吸积模型表明，在盘子中巨行星形成区域的边界是分子云核特性的函数。我们的模型可以解释系外行星轨道半长轴的范围和其最可几数值。我们研究了气态巨行星的形成时标问题，提出了能解决时标问题的一个可能的物理机制。我们研究了巨行星的质量与祖先分子云核的特征的依赖关系。与观测比较，我们的模型可以解释观测到的气态巨行星的质量的范围和最频繁出现的值。我们还发现随着观测技术的进步，中等质量的行星可以在15-30 AU之间找到。在行星形成的核吸积模型的框架下，我们提出了一种超级木星的形成机制。当一个原行星打开一个深的裂口的时候，盘子是引力不稳的，在这种条件下，超级木星能够形成。我们发现气态巨行星通常会出现在各种质量的恒星周围。雪线被认为对行星在盘中的形成和太阳系中水的分布起了重要作用。我们研究了太阳星云和原行星盘中的雪线，我们发现在一个盘子中的雪线的半径首先随时间增大到一个最大值，然后再随时间减小。我们定量地计算了雪线半径和分子云核特征的关系。太阳系的一个突出的观测是类木行星的质量和气体含量随着轨道半径向外而减小，除了海王星跟天王星基本一样之外。我们提出了可能的造成这一现象的原因。我们还研究了光致蒸发盘子中的气态巨行星的形成，以及气态巨行星形成的盘不稳定模型的可行性。