潘刘彬教授团队在原行星盘形成机制研究领域取得重要进展，相关成果在Nature Astronomy发表

        近日，我院天文系潘刘彬教授与国际合作者在原行星盘形成机制研究领域取得了重要进展。研究团队挑战了原行星盘孤立形成与演化的传统观点，通过分析星际超音速湍流提供的角动量，揭示了原行星盘质量和角动量的非传统来源，并成功预言原行星盘尺寸。该成果以The formation of protoplanetary disks through pre-main-sequence Bondi–Hoyle accretion为题于2025年4月21日发表在国际知名期刊Nature Astronomy。我院潘刘彬教授与巴塞罗那大学和达特茅斯学院的Paolo Padoan教授为共同第一作者，潘刘彬教授也是该论文的唯一通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

       迄今为止，原行星盘的理论模型都聚焦于盘内复杂的物理过程，而忽略了外部环境比如从周边大尺度吸积质量和角动量的可能影响。传统理论都隐含假设了原行星盘的形成结束于原恒星的塌缩，并从此孤立演化。这一假设造成很多观测结果难以解释，包括原行星盘质量来源、盘寿命、盘角动量、盘错位、行星轨道等等，同时也与理论和数值模拟中发现的前主序星的Bondi–Hoyle吸积主导行星盘质量预算的结果相抵触。另外，至今还没有理论模型能够成功预言行星盘大小以及角动量与前主序星质量之间的关系。

       本项研究提出了新的原行星盘的形成方案：前主序星原行星盘主要通过Bondi-Hoyle吸积周边气体形成。这里Bondi-Hoyle吸积指当恒星穿过周边气体云时，引力会使气体云物质在其后方聚集，从而形成吸积‌。本研究展示Bondi-Hoyle吸积不仅能够为原行星盘提供足够的质量，同时能够提供足够的角动量，进而可以解释观测到的原行星盘的尺寸大小。该研究的核心理论结果之一是对超音速星际湍流中角动量的统计分析发现了角动量的两个不同贡献及其对于尺度的不同依赖关系。贡献一来源于超音速湍流中强烈密度涨落造成的吸积区域几何中心和质量中心的偏差，该贡献提供与吸积区域尺寸成正比的角动量，而这一贡献在之前的研究中并没有认识到。贡献二是由于湍流的随机速度会导致几何中心两侧的速度不平衡，从而提供角动量。分子云/分子云核角动量观测方法只涵盖了贡献二，基于贡献二的理论预言可以准确解释观测结果（图1左图）。而贡献一是通常远大于贡献二，正确地认识第一个角动量贡献是理解前主序星通过Bondi-Hoyle吸积能够捕捉到的角动量的关键。图1左图显示，基于贡献一的理论计算发现，行星盘可以通过Bondi-Hoyle吸积获得与观测结果相当的角动量。

图1：左：观测到的分子云/分子云核（红色）和前主序星行星盘（黑色）的角动量与尺寸的关系。基于星际超音速湍流角动量和相应观测方法的理论分析分别给出了准确的预言（黑短划线和蓝实线）。右：数值模拟中前主序星Bondi-Hoyle半径内气体角动量与恒星质量的关系。蓝实线为最小二乘法拟合线，短划线为1Myr和4My时的理论预言，而点划线为不同的固定原行星盘尺寸对应的角动量。

        结合超音速湍流的角动量贡献，Bondi-Hoyle半径大小，以及简单的原行星盘模型，该研究还预言了原行星盘尺寸以及原行星盘角动量与恒星质量的关系。图1右图展示了理论模型（蓝实线）成功解释数值模拟中Bondi-Hoyle吸积的角动量与恒星质量的关系（蓝点），同时与观测数据（红点）相符合。图2展示了数值模拟中发现的Bondi-Hoyle吸积的证据。

图2：模拟中的大小为1.2 pc的子区域中的氢柱密度。 图中心的一引力束缚的主序星三星系统（尺寸大小约1000AU的小长方体区域）。插图为小长方体区域在三个方向的投影，可以清晰看到Bondi–Hoyle吸积的尾巴。随着恒星轨道运动，Bondi–Hoyle吸积的尾巴不断交织扭曲。