原行星盘质量与紫外辐射梯度的演化规律及其对盘年龄和角动量传输机制的约束

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters》：How the gradient of Md versus UV field strength yields insights into the ages of protoplanetary disc populations

本刊推荐：为解决原行星盘（PPD）质量与外部紫外（UV）辐射场强度关系的物理机制及演化规律问题，研究人员开展了基于盘演化模型的数值模拟研究。结果表明，盘质量与UV场强度的关系梯度（λUV）随星群年龄增长而变平缓，且受恒星质量和角动量传输强度（α参数）显著影响。该研究首次揭示了λUV可作为示踪星群年龄和约束盘内物理过程的新探针，对理解行星形成环境具有重要意义。

　　

在浩瀚的宇宙中，年轻恒星周围环绕着由气体和尘埃组成的原行星盘——这些盘正是行星系统的诞生摇篮。然而，这些盘的命运深受其所在环境的影响，尤其是来自大质量恒星的高能紫外辐射。这种辐射会驱动盘物质通过光致蒸发过程流失，犹如狂风吹散沙尘，显著影响盘的演化路径。近年来，天文学家在猎户座L1641等恒星形成区观测到一个有趣现象：尘埃盘的中位质量随着外部UV场强度的增加而系统性下降。但令人困惑的是，在辐射环境极端激烈的猎户座星云中心区域，盘质量却反常偏高。这种矛盾暗示着，盘质量与UV场的关系可能隐藏着更复杂的物理机制，特别是与星群的年龄、恒星质量以及盘内角动量传输过程密切相关。

为揭开这一谜团，Gavin A. L. Coleman与Sierk E. van Terwisga在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters》发表研究，通过构建大规模原行星盘演化模型，首次系统探讨了盘质量-UV场强度关系梯度（λ_UV）的时空演化规律。研究发现，λ_UV不仅是环境影响的指示器，更是一个能够反演星群年龄、约束角动量传输机制的关键探针。

研究人员采用的主要技术方法包括：1）基于Kroupa初始质量函数生成多星族样本；2）构建包含黏度（α_ν）或MHD盘风（α_DW）驱动的角动量传输、内部X射线光致蒸发及外部UV光致蒸发的综合盘演化模型；3）通过拟合不同UV场强度（10^1.25-10^3.5 G₀）下盘质量的线性关系（M_d,median = λ_UVlog₁₀(F_FUV/G₀) + C_UV）提取梯度参数；4）分析λ_UV随年龄、恒星质量及α参数的演化趋势。

3 EVOLUTION OF DUST DISC MASSES ACROSS DIFFERENT UV REGIMES

模拟显示，无论在黏度主导还是MHD盘风主导的 accretion（物质吸积）模式下，盘质量均随UV场增强和年龄增长而下降。

MHD盘风模型的演化速率较黏度模型慢约0.5 Myr，因前者向中央恒星的吸积率较低，使尘埃保留时间更长。

3.1 Role of age in determining λ_UV and C_UV

λ_UV随星群年龄增长从陡峭趋于平缓，截距C_UV同步下降。

UV (left-hand panel) and the intercept C (right-hand panel) of the relation between the strength of the UV field and the median disc mass. Different colours denote different values of a for the simulated discs, with a= 10-4(red), α=10-3 yellow), α=10-2.5 =10-2(green). Solid lines represent viscous discs, whilst dashed lines represent MHD wind driven discs. The grey patch represents the range inλUV and CUV found by Van Terwisga&Hacar(2023), with the black points showing the values found for specific regions.'> 强α值（如10^-2）加速盘物质耗散，使梯度快速扁平化。L1641观测数据（灰色区域）对应α参数范围为10^-3.5-10^-2.5，与吸积率、盘结构等独立估计值一致。L1641-N与L1641-S区域的梯度差异提示二者可能存在年龄或湍流强度分化。

3.2 Changing gradient across stellar mass

高恒星质量（0.9-1 M_⊙）对应的λ_UV显著更陡（可达-11），低质量星（<0.2 M_⊙）则缓于-2。

这与Herbig星（大质量T Tauri星）λ_UV=-7.6、普通T Tauri星λ_UV=-1.3的观测结果吻合。黏度模型在高质量星中表现出更陡梯度，为区分角动量传输机制提供线索。

4 DISCUSSION AND CONCLUSIONS

本研究首次系统揭示盘质量-UV场梯度λ_UV的多维依赖性：1）梯度随星群年龄增长而扁平化，使L1641-N较L1641-S可能更年老；2）强α值通过增强中央吸积加速梯度扁平，约束了角动量传输强度；3）恒星质量主导梯度陡度，要求未来观测精确分类星族质量。这些发现将λ_UV提升为诊断盘演化历史的“时钟”及约束盘物理的探针，为理解行星形成环境演化奠定基础。未来通过结合年龄、恒星质量与UV场强度的精确测量，有望最终解答原行星盘演化中黏度与MHD盘风的主导之争。