NASA超级计算机显示系外行星在附近的碎片盘中掀起波澜

这些图像将哈勃太空望远镜（上）看到的散射光中的Beta Pictoris视图与由SMACK模拟中的数据构造的相似视图（红色叠加图，底部）进行了比较。哈勃图像中的X图案是由于倾斜的辅助尘埃盘倾斜到主碎片盘而形成的。先前的模拟无法重现此功能，但是SMACK模型复制了整个图案，因为它捕获了造成粉尘的碰撞的三维分布。

天体物理学家创建了一个新的超级计算机，用于模拟Beta Pictoris周围的行星和碎片盘。新的超级计算机模型揭示了行星的运动会在整个磁盘上驱动螺旋波，这种现象会导致轨道碎片之间发生碰撞。碰撞中的图案和由此产生的灰尘似乎是许多观察到的特征的原因，以前的研究无法完全解释这些特征。

“我们本质上是在计算机上创建了一个虚拟的Beta Pictoris，并观察了它在数百万年中的发展，”共同开发该模拟的马里兰大学巴尔的摩分校的天体物理学家Erika Nesvold说。“这是碎片盘的第一个完整3D模型，我们可以观察到由行星形成的不对称特征（例如经线和偏心环）的发展，还可以同时跟踪粒子之间的碰撞。”

1984年，Beta Pictoris成为第二颗被明亮的尘埃和碎片包围的恒星。Beta Pictoris距我们只有63光年，估计已有2100万年的历史，不到我们太阳系年龄的1％。它为天文学家提供了一个年轻的行星系统发展的先机，并且仍然是当今最接近，最年轻和研究最好的例子之一。我们看到的边缘上的圆盘包含了大小不等的岩石和冰块，从大于房屋的物体到大小如烟尘的颗粒。在我们自己的行星系统边缘，这是柯伊伯带的较年轻版本。

内斯沃尔德和她的同事马克·库奇纳（Marc Kuchner）是位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家，在星期四于蒙特利尔举行的“ 2015年Lyot精神”会议上介绍了这项发现，该会议着重于直接探测远处的行星和磁盘星。描述该研究的论文已提交给《天体物理学杂志》。

埃里卡·内斯沃尔德（Erika Nesvold）和马克·库赫纳（Marc Kuchner）讨论了他们的新型超级计算机仿真如何帮助天文学家理解Beta Pictoris。学分：美国宇航局的戈达德太空飞行中心

2009年，天文学家证实Beta Pictoris b周围的碎片盘中存在Beta Pictoris b，这颗行星的质量估计约为木星的9倍。行星沿着倾斜且略微拉长的20年轨道运行，与土星的距离与土星距太阳的距离一样远。

天文学家一直在努力解释盘中看到的各种特征，包括在亚毫米波长处明显的翘曲，在散射光中可见的X形图案以及大量的一氧化碳气体。一氧化碳分子是彗星中的一种常见成分，在数百年后被紫外线星光破坏。为了解释气体为什么会结块，以前的研究人员认为，结块可能是冰雪碎片被第二个尚未见过的行星腐蚀的证据，导致产生一氧化碳的碰撞异常多。或许，这种气体是像火星一样大的冰冷世界意外崩溃的后果。

Kuchner说：“我们的模拟表明，通过Beta Pictoris b的运动和引力在磁盘中激发的一对碰撞螺旋波可以轻松解释其中的许多特征，”“就像有人在游泳池里做炮弹一样，行星到达其当前轨道后，便在碎片盘中产生了巨大的变化。”

在数百万年的时间里保持对成千上万的碎片粒子的控制是一项计算上的困难的任务。现有模型要么在足够长的时间内不稳定，要么包含可能掩盖Nesvold和Kuchner寻找的某些结构的近似值。

他们与现在都在多伦多大学的Margaret Pan和Hanno Rein一起工作，他们开发了一种方法，其中模拟中的每个粒子代表具有一系列大小和相似运动的一组物体。通过跟踪这些“超粒子”之间的相互作用，他们可以看到数万亿个碎片之间的碰撞如何产生尘埃，并与圆盘中的其他作用力相结合，将其成形为望远镜所能看到的各种图案。该技术被称为柯伊伯带中的超微粒子碰撞算法（SMACK），也大大减少了运行这种复杂计算所需的时间。

使用由戈达德市NASA气候模拟中心操作的Discover超级计算机，由SMACK驱动的Beta Pictoris模型运行了11天，并跟踪了磁盘生命周期内100,000个超微粒的演化。

当行星沿着其倾斜路径移动时，它垂直穿过圆盘，每个轨道两次。它的重力激发了磁盘中的垂直螺旋波。碎片集中在波浪的波谷和波谷中，并且最经常在此处碰撞，这解释了灰尘中看到的X形图案，可能有助于解释一氧化碳团块。

行星的轨道也有些偏心，这意味着它与恒星的距离在每个轨道上都略有变化。该运动搅动了碎片，并在磁盘表面上驱动了第二个螺旋波。此波增加了磁盘内部区域的碰撞，从而通过将较大的碎片磨掉而去除了较大的碎片。在真实的磁盘中，天文学家报告说类似的清除清除了靠近恒星的大碎片。

内斯沃尔德解释说：“关于贝塔Pictoris的一个令人困扰的问题是，行星是如何以这种奇怪的轨道结束的。”“我们的模拟表明，它大约在一千万年前到达了那里，可能是在与我们尚未发现的绕着恒星运行的其他行星相互作用之后。”

图像：NASA / ESA和D. Golimowski（约翰霍普金斯大学）；底部，美国宇航局戈达德/ E。内斯沃尔德（Nesvold）和库克纳（M. Kuchner）