流體力學(xué)、磁流體力學(xué)在天體物理中的應(yīng)用

楊樹偉 劉國(guó)鈺

主要討論的是流體及磁體力學(xué)在恒星的逐步形成當(dāng)中吸收以及外泄，在日震學(xué)這兩個(gè)方向上的應(yīng)用。流體力學(xué)和磁流體力學(xué)的運(yùn)用在天體物理學(xué)當(dāng)中是非常廣闊的。特別是對(duì)于星系的密集波，日冕物質(zhì)在太陽上的噴發(fā)，太陽風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，在AGN中巨質(zhì)量黑洞的吸收過程當(dāng)中，恒星以及行星的形成過程以及在動(dòng)力學(xué)的研究過程中都不會(huì)離開流體以及磁流體力學(xué)的應(yīng)用。因此，在天文物理學(xué)的發(fā)展中，尤其是在磁流體以及流體力學(xué)中有著不可替代的作用。

流體力學(xué)磁體力學(xué)天體物理日震學(xué)恒星形成吸積一、流體及磁流體力學(xué)

（一）流體力學(xué)

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。流體的宏觀性質(zhì)主要有粘性、流動(dòng)性和壓縮性。流體不管多小的切向力，只要一直的施加，都可以使流體發(fā)生形變，而在靜止時(shí)不能承受切向力。在流體力學(xué)中常會(huì)假設(shè)流體是不可壓縮流體，也就是流體的密度是一定的。氣體是可壓縮流體，而液體則可以算是不可壓縮流體。當(dāng)然有時(shí)候也會(huì)假設(shè)流體的黏度為零，此時(shí)流體即為非粘性流體。氣體常?？梢哉J(rèn)為是非粘性流體。如果流體黏度不為零，那么流體被容器包圍（如管子），則在邊界處流體的速度為零。但是在天體物理學(xué)中，一般情況下遇到的都是可壓縮流體，除了極少情況下外。在流體力學(xué)中，等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體，所以等離子體在磁場(chǎng)作用下有特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究在受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。這些對(duì)于天體力學(xué)的研究有著重要意義。

（二）磁流體力學(xué)

磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的方法研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科，包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支。磁流體動(dòng)力學(xué)研究電磁場(chǎng)與導(dǎo)電流體相互作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如各種磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)和磁流體動(dòng)力學(xué)波等。所以液態(tài)金屬和等離子體都是導(dǎo)電流體。在宇宙中，星際和恒星氣體都是等離子體，并且是有磁場(chǎng)的，所以磁流體力學(xué)在天體物理、太陽和地球物理中要有逐步運(yùn)用以及發(fā)展。就像超新星和新星的噴發(fā)，星際空間沒有作用力場(chǎng)的可能性，日冕、耀斑以及黑子受它的影響，還有有關(guān)于磁場(chǎng)的起源等等。不知其理論如何可以將其應(yīng)用于實(shí)際。故了解流體及磁流體力學(xué)是研究其在天體物理中應(yīng)用的第一步。初步了解了流體及磁流體力學(xué)，那么我們便可以去了解我們本文討論的話題。首先，我們先研究討論一下恒星形成中吸積和外流對(duì)流體及磁流體力學(xué)的應(yīng)用。

二、恒星形成中吸積和外流

（一）恒星形成的吸積

致密天體由引力俘獲周圍物質(zhì)的過程稱為吸積。吸積過程廣泛存在于恒星的形成中。恒星的形成發(fā)生在塵埃云中，塵埃云是星云中重要的物質(zhì)，是其中較暗的部分，而不是那些燦爛的氣體云。在大量觀測(cè)的支持下，低質(zhì)量恒星形成的理論，低質(zhì)量恒星是轉(zhuǎn)動(dòng)的分子云因密度逐漸升高而造成重力塌縮下形成的。通過上面的理論研究，塵埃和氣體組成轉(zhuǎn)動(dòng)中的分子云，因塌縮導(dǎo)致吸積盤的形成，經(jīng)由這個(gè)通道質(zhì)量在中心形成原恒星。但是，質(zhì)量高于8倍太陽質(zhì)量的恒星形成的歷程目前還不清楚。所以說質(zhì)量不同的恒星形成的歷程是不一樣的。質(zhì)量大的恒星會(huì)推擠向中心掉落的物質(zhì)，是因?yàn)檩椛涑龃罅康妮椛?。在過去的研究中，輻射壓被認(rèn)為是足夠阻止質(zhì)量累積成為巨大的原恒星，而且還能阻止質(zhì)量達(dá)幾十個(gè)太陽的恒星形成。但是最近的理論工作則顯示，產(chǎn)生的流出物和噴流會(huì)清理出空洞，因而許多大質(zhì)量原恒星的輻射壓不會(huì)阻礙物質(zhì)經(jīng)由吸積盤進(jìn)入中心的原恒星而是會(huì)逃逸掉。因此新的理論認(rèn)為大質(zhì)量恒星也會(huì)經(jīng)歷和低質(zhì)量恒星相似的歷程形成。

（二）恒星形成的外流

由于磁通量和角動(dòng)量守恒原理，最終成為恒星組成部分的物質(zhì)并不能直接落到中心星上，而是落在吸積盤上，吸積盤通過一系列復(fù)雜的過程，將多余的角動(dòng)量向外傳遞。質(zhì)量外流在剩余的物質(zhì)驅(qū)逐過程當(dāng)中存在，星風(fēng)和外流的作用讓恒星構(gòu)成的剩余物質(zhì)和中心星相遠(yuǎn)離，星周性的物質(zhì)和盤物質(zhì)變得越來越少，有關(guān)于外流的張角逐漸變大.對(duì)于中心星來說都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的增長(zhǎng)，較多的是靜止收縮狀態(tài)，但是，中心星依舊要從盤中吸取物質(zhì)而且它的速度現(xiàn)在已經(jīng)變得越來越小。因?yàn)楸P分帶走了所有的角動(dòng)量，所以MRI在這種情況是基本不需要的，但是他們卻都要求要有足夠的中性氣體的耦合和電離保持磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的位型大致有兩種，一種是雜亂的磁場(chǎng)，而另一種是有序磁場(chǎng)。最初的分子云的磁場(chǎng)俘獲在最終形成的恒星上只有小部分。而且這些磁場(chǎng)不是星際磁場(chǎng)遺跡造成的，而是有可能是由于恒星發(fā)電產(chǎn)生的。所以基于這些理論有許多的不確定因素，我們需要更多的實(shí)踐，特別是觀測(cè)來證實(shí)理論的正確與否。

三、在日震學(xué)方面的運(yùn)用

日震學(xué)是研究波振蕩，特別是聲波壓力，在太陽上的傳播。所有的振蕩是重疊的，這是來自太陽光譜的時(shí)間系列顯示，而且成千上萬的模式已經(jīng)被檢測(cè)。在數(shù)學(xué)技術(shù)中的傅立葉分析被用來將這一大堆的資料恢復(fù)為個(gè)別模式的資訊。這個(gè)方法是可以將任何的周期函數(shù)f寫成最簡(jiǎn)單的周期函數(shù)的總合，也就是不同頻率的余弦和正弦倍數(shù)的結(jié)合。

太陽表面強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。太陽的表面亮度的變化表明太陽的震蕩是一直存在的。而且大振幅總是以小振幅開始和結(jié)束。因?yàn)椴皇怯擅琢＝M織的對(duì)流超射的激發(fā)的，所以震蕩的出現(xiàn)并不是突然的。

大多數(shù)的太陽模型是非徑向的，而最簡(jiǎn)單的分析模式則是徑向的。不過一個(gè)非徑向模型的特征是三個(gè)波數(shù)：徑向狀態(tài) n，反映了在徑向方面的屬性。方位順序 m和球諧度 I，這是用來測(cè)定恒星表面上的行為模式。但是要注意的是太陽如果是球?qū)ΨQ，方位順序?qū)⒊尸F(xiàn)衰退；但是，太陽的自轉(zhuǎn) （連同其它的擾動(dòng)）導(dǎo)致赤道突起，增加了此種衰退。依照規(guī)律，n對(duì)應(yīng)于徑向本征函數(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，I表示在球面上結(jié)線的總數(shù)，m告訴我們有多少的節(jié)點(diǎn)線跨越了赤道。

四、總結(jié)

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。而磁流體力學(xué)則是研究導(dǎo)電流體與電磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科，它在天體物理學(xué)中的應(yīng)用，便形成了宇宙磁流體力學(xué)，這是理論天體物理學(xué)的一個(gè)分支。流體及磁體力學(xué)在天體物理中的運(yùn)用是涉及許多方面的，因此在天文物理學(xué)的發(fā)展中，尤其是在磁流體以及流體力學(xué)中有著不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

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