行星产生的原行星盘结构特征及其对应的毫米波图像

The physical structure of a protoplanetary disk is related with the planetary system and dust distribution in the disk. By analyzing the detailed structure of a protoplanetary disk, we can tell if it has a planet system and how dust distribute inside it. The new generation of observation facilities, the ALMA, e.g., can obtain high-resolution images of protoplanetary at millimeter wavelengths, which will be very important research material. This proposal focus on these future high-resolution millimeter images. We will build a numerical tool that can fully investigate the observational features of a protoplanetary disk, especially those induced by the planets. We will study the influence of planetary masses and different dust size-distribution. For the HL Tau system that already has ALMA data, we will assess the masses and orbital parameter of the potential planets and the dust property in the system.

原行星盘的结构受到其内部的行星形成过程和盘内的尘埃分布的影响，因此通过分析原行星盘的结构细节，我们不仅可以了解原行星盘的物理性质，还能推测盘内是否存在行星，以及盘内的尘埃分布情况。未来以ALMA为代表的新一代射电望远镜能够在毫米波波段获得原行星盘的高分辨率图像，给出原行星盘的结构细节。本项目针对未来高分辨率的原行星盘毫米波观测图像，力图建立一套完善的原行星盘结构分析流程。我们重点关注原行星盘中由行星导致的结构特征，以及这些特征与行星质量、行星的轨道参数，以及盘内尘埃分布的关系。对于已经有ALMA观测图像的HL Tau系统，我们将分析其内可能存在的行星的质量与轨道参数，以及该系统内的尘埃性质。

在该项目的执行期间, 我们在两个科学问题上做出了重要成果. 第一个科学问题是解释ALMA观测到的原行星盘结构特征, 我们基于行星和原行星盘的相互作用成功解释了ALMA观测到的HL Tau系统中明暗相间的环结构。该工作指出，HL Tau系统中可能存在三颗分别位于13.1，33.0和68.6 AU，质量分别为0.35，0.17和 0.26 个木星质量的行星。这三颗行星可以在HL Tau系统的气体和尘埃盘中打开空带，从而产生观测到的光学薄的三个暗环。第二个科学问题是利用观测到的大量系外行星样本挖掘它们的物质成份信息. 我们通过比较数值模拟结果和Kepler空间望远镜观测到的系外行星的半径分布，发现Kepler所发现的行星的半径分布对应于行星内核不含水的情况。同时，针对已获得较为精确的质量和半径数据的系外行星，我们计算了它们在各种极限初始条件和演化过程下得到的质量和半径，并最终限定出系外行星的整体物质组成。