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研究作者与机构
本研究的作者包括Zhihao Fu（香港大学物理系）、Hongping Deng（上海天文台，中国科学院）、Douglas N. C. Lin（加州大学圣克鲁兹分校天文与天体物理系）、Lucio Mayer（苏黎世大学天体物理系）。研究于2025年2月26日发表在《Science Advances》期刊上，论文标题为“Formation of free-floating planetary mass objects via circumstellar disk encounters”。
学术背景
研究领域为空间科学，特别是行星质量天体（Planetary Mass Objects, PMOs）的形成机制。PMOs是指质量低于氘燃烧极限（约13倍木星质量）的天体，它们在年轻星团中以游离状态存在，其起源一直是一个谜。现有的理论认为PMOs可能是通过分子云坍缩形成的最低质量天体，或者是从宿主恒星系统中被抛射出的巨行星。然而，这些理论无法完全解释PMOs的丰度和多重性。本研究通过流体动力学模拟，提出了一种新的形成机制：PMOs可以通过环绕恒星盘（circumstellar disks）之间的相遇和潮汐桥（tidal bridges）的碎裂形成。
研究流程
1. 研究目标与设计
研究旨在通过模拟环绕恒星盘之间的相遇，探索PMOs的形成过程。研究团队使用了一种高分辨率的流体动力学模拟方法，即无网格有限质量（Meshless Finite Mass, MFM）方案，模拟了两个环绕恒星盘在近距离相遇时的动力学行为。
模拟设置
模拟的环绕恒星盘基于猎户座星云团（Orion Nebula Cluster, ONC）的观测数据构建，盘的质量为0.18至0.2倍太阳质量，围绕质量约为0.3倍太阳质量的恒星。盘的半径设置为100至200天文单位（AU），模拟中盘的外缘被截断以避免计算复杂度。盘之间的相遇轨道为双曲线轨道，相遇时的最近距离（periapsis）为200至500 AU，相遇速度（velocity at infinity）为1至5 km/s。
模拟过程
模拟中，两个环绕恒星盘在近距离相遇时，会形成潮汐桥。潮汐桥的质量线密度（line mass）超过临界值时，会碎裂形成致密的核心（cores），这些核心进一步坍缩形成PMOs。研究团队通过高分辨率模拟，详细记录了潮汐桥的形成、碎裂以及PMOs的形成过程。
数据分析
模拟结束后，研究团队分析了形成的PMOs的质量、多重性以及其周围的盘结构。通过引入“sink particles”来模拟PMOs的核心坍缩过程，并计算了PMOs的质量和动力学特性。
主要结果
1. PMOs的形成
模拟结果表明，在环绕恒星盘相遇时，潮汐桥的碎裂可以高效地形成PMOs。特别是在相遇速度为2至3 km/s、最近距离为300至400 AU的情况下，每次相遇几乎都能形成PMOs。这些PMOs的质量通常在10至20倍木星质量之间，与观测数据一致。
多重性
模拟中形成的PMOs中，约13.8%为双星系统，其轨道半长轴为7至15 AU。这一多重性与猎户座星云团中的观测数据相符。
盘结构
模拟中形成的PMOs周围存在扩展的盘结构，盘的表面密度在10 AU内较为平坦，随后快速下降。这些盘的动力学特性与观测到的PMOs盘结构一致。
结论
本研究提出了一种新的PMOs形成机制，即通过环绕恒星盘之间的相遇和潮汐桥的碎裂形成。这一机制不仅解释了PMOs的丰度和多重性，还为理解年轻星团中PMOs的分布和动力学特性提供了新的视角。研究结果支持了PMOs作为一个独立的天体种群的存在，其形成机制与恒星和行星的形成过程有本质区别。
研究亮点
1. 新颖的形成机制
本研究首次提出通过环绕恒星盘相遇形成PMOs的机制，为解释PMOs的起源提供了新的理论框架。
高分辨率模拟
研究团队使用了高分辨率的流体动力学模拟方法，显著提高了模拟的精度和可靠性。
多重性与盘结构
研究不仅解释了PMOs的形成，还详细分析了其多重性和盘结构，为未来的观测研究提供了重要参考。
其他有价值的内容
研究还探讨了不同气体热力学条件对PMOs形成的影响，发现等温气体条件下的模拟可以高效地形成PMOs。此外，研究团队还测试了非共面盘相遇对PMOs形成效率的影响，发现当盘的相互倾角小于盘的开口角时，仍可以通过潮汐桥的坍缩形成PMOs。
这篇研究通过创新的模拟方法和深入的数据分析，为理解PMOs的形成机制提供了重要的科学依据，具有显著的学术价值和应用潜力。