余聪:精确认识行星的形成

余聪，中国科学院云南天文台副研究员，博士。2003年在香港科技大学作访问学者；2007年至2010年在美国LosAlamos国家实验室攻读博士后；2011年至2012年在美国Cornell大学天文系作访问学者；2012年被评为第十批昆明市中青年学术和技术带头人；2012年入选中国科学院青年创新促进会。

“天文学有很多漂亮的图片和动画视频，Hubble太空望远镜能够望见的各种天体如行星、恒星、星团、星系，甚至整个宇宙的精美图片，这些图片非常令人着迷。”中国科学院云南天文台余聪博士谈到与天文学结缘的初衷时这样说，“天文学是利用物理的基本原理来解释宇宙中发生的各种现象，天文研究经常需要处理大量枯燥的数据，但是通过数据我们可以看到现象背后蕴藏的物理规律，为天文现象提供合理物理的解释，这对研究人员来说是一种享受。”

也许，正是怀着这样简单的情结、朴素的感动，余聪博士不断学习深造，并集中精力在利用大规模并行计算机进行天体物理流体和磁流体动力学过程的数值模拟研究中取得一系列进展。

上篇：神奇的磁流体数值模拟

据余聪博士介绍，天体物理中的很多现象（譬如星体猛烈的爆发等）都是强烈的非线性过程，这些现象大都可以由一组高度非线性的磁流体动力学方程来描述。但是由于这组方程极为复杂，通常的解析处理方法一般只能在很简单的假设下求解这组方程，进而获得对天体现象的认识。而现代天体物理研究已不满足于这些简单的假设，通常的解析方法已不奏效。磁流体动力学数值模拟则从第一性原理出发，直接求解这组非线性方程，避免了人为的简化假设。“这样，磁流体动力学数值模拟克服了解析方法带来的局限性，在天体物理研究中扮演越来越重要的角色。”余聪博士说。天体物理涉及的空间和时间尺度跨度极大，数值模拟涉及的计算量极大，因此作为独立于理论和实验的第三大研究手段――大规模并行计算，在天体物理研究中找到了其用武之地。磁流体数值模拟的研究对象极为广泛，目前这种方法已渗入到天体物理研究的方方面面，大到整个宇宙的宇宙学研究，小到行星形成的研究，它都发挥着极其重要的作用。

“磁流体天体物理数值模拟研究由于跨越物理、计算、数学等多个学科，掌握起来比较复杂。不过目前我们已经具有独立开展此项研究的能力。”余聪博士说。

余聪博士的研究侧重于目前十分活跃的行星形成领域。2007年以来，他主持了相关的国家自然科学基金项目“原行星和吸积盘相互作用磁流体数值模拟”和中科院“西部之光”项目“漩涡对原行星吸积盘中Ⅰ型迁移的影响”。“行星系统的形成和演化是天体物理中一个很基础而又引人入胜的课题，特别是自从1992年在PSRI 257+12附近发现地球大小的行星和1995年在主序恒星51 Peg附近发现行星后，太阳系外行星系统的研究成为国际天文界的热点前沿领域。”余聪博士介绍到，“现在通过引力透镜，借助Doppler效应测恒星的视向速度，借助天体测量方法测恒星的运动轨迹以及掩星方法，人们已经发现了大约几百颗地外行星。人们现在普遍认为行星形成大致经历如下四个阶段：1）气体凝结形成尺度约为1公里-10公里的物质（星子），时标大致为100至10000年；2）星子碰撞，聚合形成1000公里左右的行星胚胎（类地行星或类木行星核），时标约为10万至1百万年；3）气体盘与原行星相互作用并吸积周围气体，形成类木行星；4）气体盘消失，原行星与残留物相互作用，演化至目前的状态。”

然而，余聪博士也说，尽管这些与观测符合得不错，但仍有一些关键性的问题需要解决。例如最近的观测显示，地外行星系统和太阳系相比，有很多不同之处，比如这些巨行星多数具有小轨道半长径，并且具有较高的偏心率和较短的轨道周期等。在通常的行星形成理论中这些巨行星不太可能在很靠近恒星的地方形成。首先在很靠近中央恒星的地方固体物质很少，很难形成这些巨行星的固态内核，其次在那里的气体也太少，不可能形成这些巨行星的气态外壳。人们认为是这些在远处形成的小质量行星在向内迁移的过程中通过吸积逐渐形成了人们现在观测到的这些巨行星。“这些问题激发了人们研究行星迁移过程的强烈兴趣。”余聪博士说。

中篇：两类行星的迁移

研究行星的迁移过程更是余聪博士的兴趣所在，据他介绍，气体吸积盘和原行星之间的潮汐相互作用会引起两类迁移过程：Ⅰ型和Ⅱ型迁移。Ⅰ型迁移是原行星质量还比较小时，原行星还不足以在气体盘中形成密度间隙。Ⅱ型迁移时原行星质量足够大时，原行星在气体盘中形成了密度间隙后产生的一类迁移。通过解析研究，人们发现在Lindblad共振处会激发漩涡密度波。密度波会携带盘的角动量到密度波衰减的地方并通过这种方式传递吸积盘和原行星之间的角动量。其最终结果是行星外部的气体盘对原行星施加一个负的力矩，内盘施加一个正的力矩。通常是外盘施加的负的力矩占主导地位，导致行星的轨道半长径减小，这就是行星迁移的物理机制目前关于行星Ⅰ型迁移存在一个严重的挑战：Ⅰ型迁移时标太短（小于巨行星气体吸积时标），这意味着小质量行星还没有来得及生长成为巨行星就已经在气体盘内快速迁移至中央恒星，这将非常不利于巨行星的形成。但是以上结论是用线性解析方法研究得到的结果。“前面提到解析方法存在人为假设所带来的局限性，在这个具体问题中就是假设了盘的密度不会被小质量行星改变，这显然是不太合理的假设。因此解析方法来研究这个问题已经不能满足我们的要求了。”余聪博士说，“目前国外已经开展了利用大规模的流体及磁流体数值模拟研究行星和原恒星盘的潮汐相互作用，并取得了极大的成功。而我国在这方面的研究还比较少。”

在对行星形成时的早期迁移阶段进行更深入和细致的研究中，余聪博士发现一个理想的方法，就是对行星迁移过程中的非线性动力学相互作用利用数值模拟进行直接的研究，应用大规模数值模拟来研究行星和吸积盘的相互作用，特别是Ⅰ型行星迁移过程。行星Ⅰ型迁移的一个主要问题是理论估计的迁移时标太短，余聪等人的研究提供了一种解决迁移时标太短的新思路：如果气体盘的粘性足够小，激波耗散会使迁移时标增大，迁移变慢后从而使小质量行星有足够的时间长大形成。他们的模拟工作着重研究盘的粘性很小的情形，此时激波耗散将主导粘性耗散，行星迁移时标将大于理论估计的时标，这将有助于行星的形成。目前该方面余聪博士以第一作者身份已发表国际知名期刊SCI论文11篇。发表的论文得到国际同行的高度评价和认可。