中國天文學家成功建立天體物理噴流的解析模型

天體物理噴流是一類普遍的天文現象。等離子體離開一個狹小的天體空間，形成濶度很小的聚束向外發射出去，形似一把光劍插入太空。噴流傳播距離最遠可達初始半徑的一百億倍以上；而其速度最大可以達到光速的99.99% 。普遍認為，噴流如何產生、加速和准直，是天體物理核心的未解決問題之一。

上海天文台陳亮研究員和合作者張冰教授對此問題的研究取得突破性進展，成功建立磁主導噴流的通用解析模型，定量解析地刻畫了噴流的所有性質（包括磁場、速度、密度、電流和電荷等的立體分佈），也就描述了噴流的產生、加速和准直整個過程。

早在一百多年前，人類已經發現了宇宙中的噴流現象；而對噴流開展大規模研究，則始於五十多年前，這主要得益於當時射電天文望遠鏡的空前發展。普遍認為，磁場在整個噴流過程中起到了至關重要的作用。描述磁主導噴流的最核心方程是維持其徑向動力學平衡的方程，稱為脈衝星方程。上世紀六十年代，該方程便已經建立；但由於該方程是一個高度非線性方程和其奇點特性，即使通過數值方法也不容易進行求解。

隨著近二、三十年電腦能力的提升，利用大規模數值模擬研究噴流問題得到迅速發展，顯著的增加人們對噴流物理的理解。然而，數值方法的複雜性導致其結果很難定量解釋不斷累積的各類觀測數據。

陳亮介紹道，受到數值模擬的啟發，他將脈衝星方程一分為二，形成分別描述旋轉項和非旋轉項的兩個方程，並發現它們不但存在解析解，而且互相吻合。基於此近似解析解，進一步構建了噴流的解析模型，定量解析地刻畫噴流的所有性質。

定性上來說，噴流形成之初，強大的磁場像一根堅硬的鋼絲繩被緻密天體系統帶著旋轉。等離子體幾乎不能橫穿磁力線運動，只能被束縛、凍結於磁力線上，沿其自由滑動。旋轉的磁力線通過離心力將凍結於磁力線上的等離子體噴射出去，產生噴流。此時，噴流中的旋轉磁場還主要以極向主導，而等離子體則是以環向運動主導。

隨著噴流向外傳播，磁場不斷衰減，由於磁場強度不同所產生的磁壓梯度力，不斷加速噴流。隨著磁場能逐漸轉化為噴流的動能，磁力線變得扭曲環繞起來。在跨過被稱作阿爾文面（Alfvén critical surface）的特徵面後，磁力線幾乎扭曲到以環向主導，而噴流逐漸體現為以極向主導，即噴流主要是沿著遠離緻密星系統的方向向外運動。

此解析模型不但與以往的數值理論結果一致；同時，該模型還能應用到黑洞、中子星等緻密星系統，用於解釋活動星系核、伽瑪射線爆和脈衝星等天體的主要觀測現象，比如噴流輪廓、噴流的加速、週期性光變、結構化噴流，以及脈衝星噴流的產生和其極高的星風速度等等。同時，該模型預言了更豐富的現象，等待天文學家未來的檢驗。

【圖：美國太空總署；文：節錄自中國科學院上海天文台網頁；新聞訊息由林景明提供】 研究全文刊登在2021年1月13日出版的《天體物理學報》