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早在上世纪二十年代,吸积盘理论就被用于研究太阳星云的形成及演化,1969年,Lynden-Bell开创性地利用该理论解释了类星体的能源机制,使得吸积盘理论的应用得到突破性进展。时至今日,吸积盘理论依然是等离子体天体物理研究的热点课题之一。从物理学角度来讲,吸积盘的形成存在两个重要的物理过程:物质向内吸积以及角动量向外转移。盘的结构与演化依赖于角动量的转移,而盘中黏滞的大小及其性质正是决定角动量转移的重要因素。换言之,吸积盘的结构及其演化取决于盘中的黏滞。然而,纯粹的分子黏滞不可能实现吸积盘中角动量转移过程,吸积盘非常可能处于湍动状态。上世纪七十年代,Shakura与Sunyaev引入湍动黏滞的概念,并建立标准薄盘模型,亦称SSD模型,使得吸积盘理论由过去的定性及半定量描述上升到定量描述的理论高度。然而SSD模型是一个参量化的唯象模型,它掩盖了湍动黏滞的本质,人们无法从中得到更多有关湍动的信息。因此,天体物理学家必须寻找一种能够揭示湍动黏滞物理本质的新模型。2002年,李晓卿和张航从动力论出发,考虑到波-波、波-粒相互作用,理论计算得到非相对论性等离子体中横等离激元产生的低频自生磁场方程。调制不稳定性分析表明这种磁场具有大的不稳定性增率,能够坍塌到局域小尺度范围内,形成空间高度间歇的强磁流,呈现湍动状态。这些强磁流元之间以及磁流元与周围介质之间的相互作用是吸积盘中反常黏滞产生的本质。
本研究首先利用这种新的反常磁黏滞机制,分别研究了年轻恒星周围磁化薄吸积盘以及原恒星盘的结构与不稳定性。结果表明,利用反常黏滞模型能够得到与观测相吻合的温度分布及更接近真实的盘结构,这使得稳定性分析更有意义。本研究内容之二是基于李晓卿等人得到的相对论性等离子体中自生磁场非线性控制方程,找到自生磁场的自类似坍塌解;从间歇磁流间相互作用的麦克斯韦应力张量出发,把反常黏滞理论推广至相对论框架,理论推导得到相对论性吸积盘中的反常磁黏滞运动学系数。结果表明,相对论性吸积盘中的反常黏滞系数对电子有效温度的依赖关系与非相对论中的情况截然不同。其三,对李晓卿等人引力横等离激元相互作用产生自生甚低频磁型引力场耦合方程进行调制不稳定性分析。分析表明,自生引力磁场是调制不稳定的,并通过数值拟合计算出调制不稳定性最大增长率及对应的最大波数,找到引力磁场坍塌的自类似解;理论计算得到自引力吸积盘中的反常磁黏滞运动学系数;与分子黏滞比较发现,反常磁黏滞强于分子黏滞约八个量级,足以提供自引力盘中物质吸积及角动量转移所需的吸积率,这与文献中给出的结果相吻合。吸积盘中反常磁黏滞模型明确揭示了湍动黏滞产生的物理机制,有助于研究天体物理吸积盘中非线性过程;同时也为实验和模拟提供理论指导。