高能天体物理中关于小尺度无序磁场的若干物理过程

小尺度无序磁场普遍存在于高能天体的爆发过程中。在明确了小尺度的物理条件后,详细描述了近年来国际高能天体物理研究领域中和小尺度无序磁场相关的湍流、激波、等离子体不稳定性和磁重联等前沿问题,并相应介绍与小尺度无序磁场相关的粒子加速和辐射过程的最新进展。介绍的内容主要是基于流体或磁流体计算机数值实验得到的结果,对部分计算程序也做了简单介绍。最后,提出在这一领域开展研究工作的一些建议。     

行星际磁云研究新进展

从飞船的观测结果、磁云形态及演化的理论模型、磁流体动力学(MHD)数值模拟、激波对磁云的作用、多重磁云等5个方面，评述了行星际磁云的研究成果及最新进展。在太阳峰年，大部分的非重现性地磁暴都与磁云有关。最近的研究表明，压缩后的磁云往往能产生更大的地磁效应。深入研究磁云对空间天气研究有着特殊的价值，特别是对提高大磁暴的预报水平有着重要帮助。     

行星形成数值模拟的研究现状与未来需求Ⅱ:行星迁移、核吸积以及大气逃逸

介绍了行星形成涉及到的几个重要阶段,如行星迁移、核吸积和大气逃逸的基本物理过程和数值模拟研究现状。行星迁移会影响行星的轨道偏心率和倾角,并改变原行星盘的结构;核吸积是决定行星演化为类地行星或者类木行星的关键因素;大气逃逸对行星的气候和演化产生重要影响。这些过程均涉及到复杂的辐射磁流体动力学过程,早期的理论研究往往采用很多人为的简化假设。随着超级计算机计算能力的提高和磁流体数值模拟算法的日渐成熟,人们已经可以对这类复杂的非线性动力学问题开展直接的数值模拟研究,克服了早期理论研究中人为假设的局限。但是,目前人们开展的研究主要基于磁流体动力学数值模拟,对辐射转移如何影响磁流体动力学过程的研究还比较欠缺。强调了进行辐射磁流体动力学数值模拟的必要性和紧迫性。针对辐射磁流体数值模拟程序的开发,从辐射转移,磁场的处理,吸积盘的自引力、三维效应、非理想效应和尘埃的效应等方面提出了相应的技术需求。介绍了本研究领域内发展辐射磁流体数值模拟的策略。     

针状物的数值模拟与形态观测研究进展

从针状物的数值模拟发展和形态观测进展两大方面,展示针状物近期研究成果。首先,介绍针状物磁流体动力学(magnetohydrodynamics, MHD)数值模拟的内容与进展;然后,介绍日面针状物总量和平均能流密度估算的研究进展;接着,介绍目前较为成熟的日出卫星(Hinode)上太阳光学望远镜(Solar Optical Telescope, SOT)的数据处理方法及观测到的双线和群体运动现象;最后,对目前针状物研究成果和未来研究方向进行总结和展望。     

经自适应网格改造后的SHASTA程序和磁重联数值实验

SHASTA(Shaarp and smooth Transport Algorithm)是求解二维磁流体动力学问题的单一网格程序.在将其用于磁重联问题的数值模拟时,它被修改成为采用自适应网格方法的程序.修改后的程序可以针对扩散区进行细化计算.在SHASTA程序的自适应计算实现过程中,采用了插入式的自适应修改策略,原二维磁流体力学偏微分方程的求解算法被作为独立单元使用.另外,修改中使用分层的数据结构,将每个细化层次的物理量用二维可变数组描述,并标记磁场和压强分布的陡变区为细化区域,再通过插值的方法得到细化层网格点上的物理量分布和边界条件,最后细化区域的细化计算结果被赋予给其上一层网格,并对其内容进行更新.采用细化计算进行的磁重联的模拟实验表明,相比单一网格计算,细节分辨率得到提高,相应的计算时间的增加则与模拟中的参数选择有关;而自适应程序部分带来的计算精度和稳定性的影响则依赖于边界设置,单步长的推进策略和插值算法.     

辐射磁流体力学数值实验研究(代前言)

辐射磁流体力学(RMHD)是磁流体力学和等离子体物理学一个新的分支,它研究与辐射有显著能量和/或动量交换的磁流体动力学行为。天体辐射磁流体力学描述天体等离子体在宏观尺度上的电磁相互作用、结构、辐射、动力学和爆发现象。"天体辐射磁流体力学"是中国科学院数理学部2015—2016年度所支持的一个学科发展战略研究项目,其目的是评估这一生长中的学科分支的发展态势、国内外研究现状、适用的主要科学对象和发展战略,重点设定在三维数值模拟研究,或广义而言,数值实验研究。为了推动RMHD三维数值实验研究,这一专卷收入了天体物理学、太阳和空间物理学、受控等离子体实验等领域关于RMHD研究的部分调研和评述报告。     

耀斑大尺度电流片的湍流耗散和能谱分析

磁重联在宇宙的许多动力学现象中都是非常核心的过程.磁流体动力学(MHD)数值模拟是研究磁重联过程以及相应物理图像的一种很有效的手段.通过不同的参数组合,来研究MHD数值模拟中磁雷诺数和空间分辨率对磁重联率、数值耗散和能谱分布的影响.对得到的数据进行分析后,发现磁雷诺数对磁重联率和能谱分布有一定的影响.磁雷诺数越大,磁重联过程进入非线性阶段所需的特征时间越短,磁重联率就越早发生跃升.磁雷诺数R_m对耗散开始发挥作用的Kolmogorov微观尺度l_ko有明显影响:R_m越大,l_ko就越小.研究了磁重联过程中包括数值耗散在内的额外耗散对重联过程的影响.结果表明,撕裂模不稳定性开始之前的额外耗散以纯数值耗散为主,撕裂模不稳定性出现之后,额外耗散出现同步跃升,说明不稳定性导致的湍流明显增强了耗散的效果,相当于在局部湍流区引入了超电阻.能谱分析进一步表明,大尺度电流片的l_ko完全可能出现在宏观的MHD尺度上.     

恒星演化晚期阶段研究中的流体动力学计算方法

综述了数值模拟恒星演化晚期阶段所使用的流体动力学计算方法和程序等方面的情况以及研究现状。     

高能量密度实验室天体物理近年来的一些进展

近年来,随着用于高能量密度物理研究的实验装置如大功率激光器、磁力箍缩装置和托克马克等的发展,人们在实验室中可以使毫米尺度的物质达到极端高温、高压、高密度的状态,这使得在实验室环境中可以模拟天体物理环境中的物理条件及某些物理过程,从而推动了一个新兴科学领域--高能量密度实验室天体物理的发展。高能量密度实验室天体物理有很多重要的研究方向,包括超新星爆发过程中剧烈激波引发的非线性流体动力学不稳定性及其演化,原初恒星的喷流和高马赫数喷流,黑洞、中子星等致密天体周围的光致电离星风,不透明度的测量和天体磁场的重联现象等。在此选取高能量密度实验室天体物理中近年来几个研究方向的进展,对其进行系统地介绍,并对此领域的发展做出展望。     

粒子云网格方法在大尺度湍流磁重联研究中的应用和进展

作为汪景琇院士主持的中国科学院数理学部"天体辐射磁流体力学"战略研究项目组成部分~([1]),从等离子体的动力学属性出发,介绍了用于研究等离子体与周围磁场结构相互作用的粒子云网格方法,及其在研究具有复杂等离子体和磁场结构的磁重联过程中的应用。这里提到的磁场与等离子体的复杂性包括变化的等离子体β值,磁重联电流片中包含有多种尺度的结构,以及这些结构之间的相互作用,而且这些结构的尺度变化范围很大(从105km变化到102km)。进一步探讨了该方法在太阳物理领域,特别是在太阳爆发磁重联过程方面的可能应用以及未来的发展;并为项目研究中其他部分在数值方法~([2–5])和太阳物理~([6,7])方面提供借鉴和补充。     

学术会议活动

天体物理前沿讨论会(1984年7月,上海) 上海天文台举办的“天体物理前沿讨论会”,在各天文台和有关单位的大力支持下于1984年7月14日至7月21日在上海召开。与会代表共75人。参加讨论会的除来自国内天文界外,部分高等院校物理系的同志及出版界的同志也出席了这次讨论会。 这次讨论会就当前天体物理的一些前沿课题进行了学术交流和讨论。其中十二篇邀请报告的内容涉及等离子体天体物理、类星体、X射线、黑洞物理、广义相对论中的奇异性定理、中子星、宇宙大尺度结构、星系数值模拟、银河系大尺度结构的红外特征及密度波理论等。加籍华人郭新教授应邀在会上作了“恒星风与质量损失”的报告。 整个讨论会讨论热烈,气氛活跃,取得了良好的效果。 上海天文台叶叔华台长在会上讲了话,对代表们莅临上海天文台表示欢迎和感谢,希望以后能在天体物理领域加强上海天文台与其它台站和天文系(专业)的合作。 这次讨论会的邀请报告将陆续在本刊全文发表。 (宋国玄) Colloquium on the Frontiers ofAstrophysics(Shanghai,July 1984) (Song Guoxuan)     

近地小行星轨道演化的研究

主要阐述近年来在近地小行星轨道演化研究工作中所获得的一些基本结果，即合理的力学模型和相应的有效算法，并以实际预报算例（近地小行星与地球的交会状态）与有关权威性的结果作了比较，证实这些研究结果确实是可信的。在给出的力学模型中，考虑了所有可能影响近地小行星运动的力学因素，包括各大天体和较大的主带小行星的引力作用、有关天体的扁率影响以及源于太阳引力的后牛顿效应。而在计算方法中，合理地处理了变步长问题和月球位置量这种相对而言的快变化问题，使得数值求解一个高维方程组时，对各天体而言，可采用同一步长进行 积分，避免了求解过程中的复杂性。     

磁中子星巨耀发的观测和理论研究

软γ重复暴(soft gamma-ray repeater, SGR)被认为产生于磁中子星。发生在SGR上的巨耀发在短时标内释放出大于10^39J的巨大能量,被认为是宇宙中已知最强的能量释放过程之一,其剧烈程度仅次于超新星爆发和γ暴。详细介绍了几种磁球层理论模型,并重点介绍了以太阳爆发日冕物质抛射灾变理论为基础建立的磁中子星巨耀发的磁流体力学的半解析模型。在模型中,板块的转动或错位造成磁球层内磁场的扭缠,从而导致磁通量绳的形成和磁能缓慢的积累。当积累的能量超过阈值,系统就会失去平衡,然后产生爆发并释放能量。用该模型计算的SGR 1806-20, SGR 0526-66和SGR 1900+14这3次巨耀发的光变曲线都与观测基本相符。此外,有关磁中子星巨耀发的磁流体动力学的数值模拟工作也得到了全面的展开,通过求解各种初始条件和边界条件下的磁流体力学方程组,计算机的数值模拟可以得到磁中子星巨耀发过程中的磁场形态演化和内部精细结构。     

三维流体动力学并行软件包NaSt3DGP及其应用

该文介绍了解算直角坐标系下不可压缩Navier．Stokes方程的大型有限差分并行软件包NaSt3DGP。介绍了其采用的区域分解算法、差分格式及计算流程；对并行效率进行了测试，作出了处理器数目和计算效率的关系曲线；把此程序应用到旋转的行星流体动力学中，分别用自检验和互检验的方法证明了修改后程序的可靠性，并且得到了满意的非线性数值模拟结果。     

刚诞生的天体物理研究室

天体物理研究室的范围广泛,既包括对个别天体(如恒星、星云)的发现、观测和研究,也包括对一些群体(如星固、星系)的发现、观测和研究;既要研究各类天体的分类、分布、物理特性、化学组成、能量来源、运动情况,又要研究它的起源、年龄、演化。     

总结

恒星演化是天体物理领域内一个成熟的研究方向 ,其结果已经被广泛的应用到天体物理的各个领域。但这并不是说恒星演化的整个理论已经十分完美了。实际上 ,随着天文学研究的发展 ,特别是望远镜口径的增加和观测手段的更新 ,以及天体物理其他领域里的长足进展 ,恒星结构和演化理论和它的结论也面临挑战。其中 ,有其自身发展的需求 ,也有诸多外因的驱动。前者如恒星理论中的一些长期困扰人们的经典问题 (如对流 )和以前被忽略的因素 (如磁场和自转 ) ,后者如计算技术的飞速发展使得以前难以实现的技术手段日臻完善 (如恒星结构的多维数字模拟 )…     

演化的星族合成方法

演化的星族合成方法是在给定恒星形成率和初始质量函数的前提下，利用理论的恒星演化轨迹和恒星光谱库得到的组合特征（光谱，光度），拟合星系、星团等恒星复合天体的观测特征，给出其中星族组成的一种有效方法。对演化的星族合成方法在天体物理研究中的重要意义及其原理和算法以及影响演化星族合成方法结果的最主要的四个输入量：恒星演化轨迹、恒星光谱库、初始质量函数和恒星形成率进行了评述。     

天体物理环境中的硅酸盐尘粒

硅酸盐尘粒是宇宙尘埃的主要成分之一,它广泛存在于许多天体物理环境中,其特性随环境而变化。由于近年来观测数据的不断增加和红外光谱质量的逐步提高,宇宙空间中的硅酸盐尘粒正受到越来越多的关注．该文详细地介绍了在各种天体环境(星际空间、演化晚期恒星的星周尘埃包层、绕年轻恒星和主序星的星周尘埃盘、彗星的彗发和行星际空间)中的硅酸盐尘粒的观测特征,并分别对其物理和化学性质进行了综合比较．观测已经证实在星际尘埃演化的前身(演化晚期恒星的星周尘埃包层)和其遗迹(彗星)均有可观数量的结晶硅酸盐存在。但是至今还没有在其中间态(弥散星际介质)找到结晶硅酸盐存在的证据。这一尚未解决的难题突出了结晶态硅酸盐在天体物理研究中的重要意义。     

天体运动的轨道偏心率研究概述---从恒星系统到行星系统

偏心率是描述天体运动轨道的重要参数之一, 能够为揭示天体的动力学演化提供重要线索, 进而帮助理解天体形成与演化的过程及背后的物理机制. 随着天文观测技术的不断发展, 人们对于天体运动轨道的研究已经走出太阳系, 包含的系统也从大质量端的恒星系统延伸到了低质量端的行星系统. 聚焦天体轨道偏心率研究, 回顾了目前在恒星系统(包括主序恒星、褐矮星以及致密星)和行星系统(包括太阳系外巨行星以及``超级地球''、``亚海王星''等小质量系外行星)方面取得的进展, 总结了不同尺度结构下偏心率研究的一些共同之处和待解决的问题. 并结合当下和未来的相关天文观测设备和项目, 对未来天体轨道偏心率方面的研究工作进行了展望.     

小行星主带上单个行星的质量上限

介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况．采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化时间为1亿年．数值模拟显示能够稳定存在于小行星主带上的单个天体的质量上限其量级为10~(25)kg．模拟同时还显示在某些情况下,假想行星与木星之间的低阶共振可以增强系统的稳定性．