太阳爆发理论和模型在高能天体物理研究中的应用

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本文对太阳爆发理论和模型在高能天体物理研究中的应用进行了探讨。日冕物质抛射是太阳表面的一种爆发现象,它可以使磁通量绳和磁化等离子体快速地抛射到外层日冕。在这个过程中巨大的磁场能量迅速释放,并转化为其他形式的能量。人们通常认为它的驱动机制主要为磁结构的灾变和磁重联。由于太阳是离地球最近的,而且是对人类最重要的一颗恒星,太阳物理,特别是对人类生活有重要影响的太阳爆发活动的研究得到了深入的发展。在高能天体物理领域中,也存在着与日冕物质抛射相类似的物理现象。例如,磁中子星的大耀发以及黑洞吸积盘系统产生的间歇性喷流等,这些都是系统在短时间内释放大量的磁能并抛射物质的过程,而这些过程的具体细节还不被人们所知。因此,运用太阳爆发的相应理论和模型来对这些未知的活动进行研究,具有重要的借鉴作用。  软伽马射线复现源被认为是磁中子星的一种,发生在软伽马射线复现源中的大耀发在短时标内释放出巨大的能量。驱动这些爆发的能量来源与于贮存在磁中子星磁球层内的磁场能量,而触发和驱动机制则为磁场结构的灾变不稳定性和磁重联。参考太阳日冕物质抛射的理论和模型,我们发展了一个解析的理论模型来解释磁中子星的大耀发。在这个模型中,壳层的转动和错位造成磁场的扭曲和变形,导致磁通量绳在磁球层中形成以及能量在相应的磁场位形中积累。当储存在磁场结构中的能量和螺度达到了阈值,系统就会失去平衡,磁通量绳被以灾变的方式向外抛射,而磁重联使灾变演化成真正的爆发。以SGR1806-20为例,我们计算了在这样一次爆发过程中所释放出的磁自由能(即系统的总磁能和相应势场能量之差)大于1047尔格,足以驱动一次大耀发。释放的磁自由能被转化为辐射能、磁通量绳的动能和引力势能。我们还计算了SGR1806-20、SGR0526-66和SGR1900+14这三次大耀发过程的光变曲线并将他们与观测数据相比较。我们计算得出的光变曲线能很好地与观测数据符合。  在许多天体物理中的黑洞吸积盘系统中,由等离子体团构成的间歇性喷流已经被观测到,但是他们的起源还不清楚。以Yuan等人的模型为基础,我们发展了一个考虑了相对论效应的磁流体动力学模型来解释黑洞吸积盘系统中的间歇性喷流。我们以Sgr A*和恒星级黑洞为例子,研究等间歇性喷流离子体团的动力学特征。我们的模型结果表明,等离子体团被抛射出去后,可以在短时间内获得很大的洛仑兹因子,并且不断地发生膨胀。然后,我们进一步地研究了相继抛射的等离子体团间的碰撞,发现恒星级黑洞产生的等离子体团之间可以发生碰撞,而单个等离子体团所携带的磁能大于1050尔格。在两个等离子体团的相互碰撞过程中,通过磁重联可将大约一半的磁场能量释放出来,因此这些等离子体团的碰撞能够产生一次伽玛暴。
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