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磁流体空洞演化，磁星形成，和地球磁层重联现象之观测

作　者: 胡人予
导　师: 楼宇庆
学　校: 清华大学
专　业: 天体物理
关键词: 磁流体力学激波恒星磁场氢II区磁重联
分类号: O361.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文研究准球对称广义多方磁流体系统的自相似激波解。我们假定磁场主要沿着横向,是紊乱的;并对磁场做系综平均以反映其大尺度的结构。通过恰当的自相似变换,标准的磁流体力学方程组能够化为一个非线性常微分方程组。在大半径处,该系统存在有限速度解和速度与半径成正比的膨胀解。本文首次全面研究了各种参数条件下的自相似膨胀解。在中心处,在把已经知道的解推广至广义多方的基础之上,我们系统的研究了准静态解和强磁场解存在条件。我们发现,准静态解描述的系统在长期演化之后包含质量不随时间变化;而强磁场解描述的系统的包含质量会随时间的某一幂率变化。我们重点研究了该系统中空洞的动力学行为。在一些普遍的情况下,空洞边界周围会形成密度相对较高的区域,成为壳层。空洞解可以通过激波联系到远处的有限速度解;空洞边界和激波面按照相同的自相似规律向外膨胀。我们认为,上述空洞–壳层结构是适用于描述银河星内的大泡和壳层型超新星遗迹的。我们给出了膨胀氢II区和香槟流在多方状态方程下的理论描述,并利用空洞解研究了恒星风对于氢II区运动的影响;这是对原有等温模型的实质性推广。我们还用空洞解研究了中心塌缩型超新星的爆发,并且与数值模拟进行了比较。该模型加上适当的辐射机制,比如热韧致辐射,可以给出正确的超新星极早期X射线的光变曲线。我们认为,SN 2008D的极早期X射线辐射是来自于超新星激波冲出恒星包层的。同时我们发现,塌缩产生的中子星表面的磁场是跟其前身星表面的磁场成正比的。所以,如果前身星的表面磁场达到1000 G量级,形成的中子星就有可能成为磁星。这样的磁星形成机制支持了所谓”化石磁场”模型。在观测方面,我们利用Cluster多卫星观测设备研究地球磁尖区的等离子体性质。我们认证出在2002年9月8日发生了北向行星际磁场下的双极区重联。双重联发生时,磁尖区整体向远离太阳的方向移动,重联点向太阳的方向移动。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-19
  1.1 问题的提出  11-12
  1.2 选题背景及意义  12-13
  1.3 文献综述  13-17
  1.4 理论研究方法概要  17-18
  1.5 论文结构安排  18-19
第2章理论框架  19-43
  2.1 基本方程  19-23
  2.2 关于磁场的构型  23
  2.3 奇异面，临界线和自相似激波  23-26
  2.4 各种渐近解  26-43
    2.4.1 在x →0~+ 时的解析渐近解  27-32
      2.4.1.1 中心自由落体解  27
      2.4.1.2 Larson-Penston类型的解  27-28
      2.4.1.3 多方过程中的准静态解  28-29
      2.4.1.4 强磁场解  29
      2.4.1.5 相对论热的气体的特殊解  29-32
    2.4.2 在x →∞时的解析渐近解  32-36
      2.4.2.1 有限速度解  32-33
      2.4.2.2 磁流体热膨胀解  33-34
      2.4.2.3 磁流体自由膨胀解  34-35
      2.4.2.4 磁流体Einstein-de Sitter 解  35-36
    2.4.3 在空洞边界nx - v = 0 附近的渐近解  36-43
      2.4.3.1 空洞边界α~* = 0 情形  36-39
      2.4.3.2 无磁场时空洞边界α~* > 0 情形  39-40
      2.4.3.3 磁流体空洞边界α~* > 0 情形  40-43
第3章激波空洞解  43-60
  3.1 空洞边界α~* = 0 情形  43-50
    3.1.1 无磁场情形  43-45
    3.1.2 磁流体的情形  45-50
  3.2 无磁场时空洞边界α~* > 0 情形  50-53
    3.2.1 参数q > 0 情形  50-53
  3.3 磁流体空洞边界α~* > 0 的情形  53-58
    3.3.1 参数q = 0 情形  53
    3.3.2 参数q > 0 的情形  53-58
  3.4 天体物理应用  58-60
第4章氢II区的香槟流  60-86
  4.1 背景介绍  60-61
  4.2 星云中多方香槟流模型  61-68
    4.2.1 固定α_0 值  62-66
    4.2.2 固定激波位置或速度  66-68
  4.3 包含空洞的香槟流  68-76
    4.3.1 中心自由落体香槟流  73-76
  4.4 与数值模拟结果的比较  76-81
  4.5 小结  81-83
  4.6 不变形式的解  83-86
第5章超新星爆发与磁星形成  86-106
  5.1 空洞解的应用  87-91
  5.2 超新星的极早期X射线辐射  91-94
    5.2.1 背景介绍  91-92
    5.2.2 磁流体模型和X射线光变曲线  92-94
    5.2.3 进一步的讨论  94
  5.3 磁星的形成  94-106
    5.3.1 背景介绍  95-96
    5.3.2 模型分析  96-98
    5.3.3 数值计算  98-102
    5.3.4 进一步的讨论  102-106
第6章地球磁层重联现象的卫星观测  106-138
  6.1 背景介绍  106-107
  6.2 观测手段  107-108
  6.3 Cluster卫星观测结果  108-126
    6.3.1 卫星轨道，行星际磁场和太阳风  108-109
    6.3.2 Cluster-1 的磁尖区观测  109-114
    6.3.3 Cluster-4 的磁尖区观测  114-117
    6.3.4 Cluster-3 的磁尖区观测  117-120
    6.3.5 电子和正离子的速度分布  120-126
  6.4 相关讨论  126-135
    6.4.1 多卫星比较和磁尖区大小的变化  126-130
    6.4.2 重联点的位置  130-132
    6.4.3 脉动的双重联  132-135
      6.4.3.1 电子能谱的方向角截面  133
      6.4.3.2 双重联的周期性  133-134
      6.4.3.3 离子的速度分布  134-135
  6.5 统计研究分析  135-137
  6.6 小结  137-138
第7章主要结论  138-140
参考文献  140-151
致谢  151-152
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  152-153

磁流体空洞演化，磁星形成，和地球磁层重联现象之观测

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