（理论物理专业论文）关于恒星外向流的研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 关于恒星的分子外向流的研究 中文摘要 恒星起源的形成和初期演化的研究足天体物理学的基本课题之一，这一研究 一方面有助于对星系结构和演化的理解，另一方面也关系到行星的形成，所以在 天体起源研究中，恒星形成研究起着枢纽作用。 2 0 世纪7 0 年代以来，对恒星所产生的分子外向流的研究成为天体物理学的一 个重要前沿领域之一。由于恒星所产生的分子外向流含有许多关于恒星的形成和 演化的信息，通过对它的研究可以更加深入了解恒星系统演化的历史。而对它研 究主要集中在对分子外向流模型、驱动机制和其奇特外形成因的研究上，研究方 法一般都采用数值模拟，该方法的优点是能比较直观的显示恒星外向流的性质， 但不能对恒星外向流作定性的描述。本文的采用理论分析的方法，先研究了初始 条件不变的情况下的三维圆锥形茧壳层产生的外向流，这个三维圆锥形茧壳层是 实际茧壳层形状的简化，在此基础上又进一步研究了随时间演化的三维圆锥形茧 壳层产生的外向流，另外还讨论了弓形激波产生的外向流。在三种情况下所得的 结果与实际观测结果都基本符合。本论文总共分为五章： 第一章系统地阐述了关于分子外向流的研究背景和意义，并详细介绍了当前这 一重要课题的研究现状和发展趋势，以及具有代表性的研究成果。重点阐述了当 前关于分子外向流的基本模型，其模型的优点与不足之处，以及需要重新考虑的 问题。 在第二章中，运用流体力学理论，对恒星的三维圆锥形茧壳层产生的外向流的 基本性质，如速度、密度、尺度等，进行了深入的分析。该研究分为激波绝热和 辐射的两种情况进行，首先做理论推导，然后根据推出公式作图分析，从图当中 寻找规律。除个别情况外，分析研究的结果与实际的观测较为相符。由于公式比 较复杂，影向结果的因数较多，因此又进一“步对推出公式进行了适当的简化处理。 简化后图像与简化前的图像基本一致，这说明本章的简化的模型是合理的。 【i 东师范大学硕土学位论文 在第二章对恒星二维圆锥形茧壳层产生的外向流研究的基础上，第i 章重点讨 论，关于存在时间演化的外向流。在设快速恒星风动母损失率守。陋、慢速恒星风 速艘删质譬损火车力定f j 返 简蛩条例f ，选抒了迅。1 的参数，刊，w i 流进行了 时间演化的分析，符m 厂存该情况p 各物珲量与刚f l j j 的关系，并绘出，器量与h 0 间的关系图像，除个别情况外，图像分析所得的结果弓观测数值较为相符。 第四章较为精确的讨论了与实际较为接近的弓形激波r 2 生的分子外向流，讨论 了入射激波和反射激波，并求出了入射激波和反射激波所满足的方稃以及其临界 位簧；同时讨论了喷射角较小时各个量的近似情况：分别讨论了在激波绝热和激 波辐射的情况下的各个量的变化情况以及相互之间的关系；较为准确的求出了激 波的速度，分析研究的结果与实际的观测较为相符；最后讨论了第二喷射源各个 量之间的关系。 第血章简要概括了本文得到的主要研究结果，以及有待今后继续研究的课题。 关键词：分子外向流，激波，h h 天体 分类号：p 1 4 4 山东师范大学硕士学位论文 a sf o rt h er e s e a r c ho ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t s a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nf o r m a t i o na n dt h ee v o l v e m e n to ft h es t a ri so n eo ft h e a s t r o p h y s i c a lb a s i ct o p i c s t h i st o p i cc a nh e l pu st oc a t c ho nt h ee v o l v e m e n ta n dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h eg a l a x y ，a n di tr e l a t e st ot h ef o r m a t i o no ft h es t a ro nt h eo t h e rh a n d ， s ot h er e s e a r c ho nf o r m a t i o na n dt h ee v o l v e m e n to ft h es t a ri st h ev i t a lh i n g eo ft h e f o r m a t i o no f t h ec e l e s t i a lb o d i e s s i n c e7 0 。si n2 0c e n t u r i e s ，t h er e s e a r c ho ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sb e c a m eo n eo f t h ei m p o r t a n to u t l y i n gr e a l m so fa s t r o p h y s i c s i nt h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t st h e r ei st h e m o s tp r i m o r d i a la n dp a l p a b l ei n f o r m a t i o nf o rt h es i d e r e a le v o l v e m e n ta n df o r m a t i o n ， w h i c hm a yl e a dt ot h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go ft h ee a r l yh i s t o r yo ft h es i d e r e a ls y s t e m t h er e s e a r c ho ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sm o s t l yc o n c e n t r a t eo nt h em o d e lo ft h e s i d e r e a lm o l e c u l a rj e t s ，i t se x p u l s i o nm e c h a n i s ma n di t su n u s u a ls h a p e ，w h i c ha d o p tt h e n u m e r i c a le m u l a t i o ng e n e r a l l y t h ea d v a n t a g eo ft h en u m e r i c a le m u l a t i o nc 锄g i v ea q u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o n ，b u t c a l ln o t g i v eaq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o n w ea d o p tt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i st os t u d yt h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sp r o d u c e db ya3 dc o n i f o r ma n s a e l a y e rw h e nt h ei n i t i a lc o n d i t i o n sa r ec o n s t a n t t h e3 dc o n i f o r ma n s a el a y e ri sam o d e lo f p r e d i g e s t i o n o nt h ef o u n d a t i o no ft h i sr e s e a r c h ，w es t u d i e dt h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t s w h i c ht r a n s f o r mw i t l lt h et i m e a tl a s tw es t u d yt h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sp r o d u c e db y t h eb o w s h o c k t h er e s u l t sa r ea c c o r dw i t ht h eo b s e r v a t i o n t h i st h e s i si sd i v i d e di n t o f i v ec h a p t e r st o t a l l y i nc h a p t e r1 ，w h i c hs y s t e m a t i c a l l ye x p o u n dt h er e s e a r c hb a c k d r o pa n di t s s i g n i f i c a n c e t h e ni n t r o d u c ei nd e t a i lt h er e s e a r c hs t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h i si m p o r t a n tt o p i c ，a n dt h er e p r e s e n t a t i v er e s e a r c hr e s u l t s w ep u ta ne m p h a s i so nt h e b a s i cm o d e lo ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sc u r r e n t l y ，t h ea d v a n t a g ea n dt h es h o r t a g eo f i t sm o d e l ，a n dt h ep r o b l e mw h i c hs h o u l db er e c o n s i d e r e d 东师范大学硕i 学位论文 i nc h a p t e r2 ，w ea d o p tt h eh y d r o m e c h a n i e st os t u d yt h eb a s i cp r o p e r t yo f t h es i d e r e a tm o l e c u l a r j e t sp r o d u c e db yt h e3 dc o n i f o r ma n s a el a y e r , s u c ha st h es p e e d ，d e n s i t y , d i m e n s i o no u rr e s e a r c hi sd i v i d e di n l o1 w ( 1a s p e c t s ：t h es h o c ki sa d i a b a t i ca n dt h es h n c ki sr a d i a n t w ec a r r yo nt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o nf i r s t l y , t h e nm a k ec o n s t r u c t st oa n a l y s i s ， a tl a s tw eg a i nt h er e g u l a t i o n sf r o mt h ea n a l y s i si na d d i t i o nt oi n d i v i d u a lc i r c u m s t a n c e ， o u rr e s u l t sa r ea c c o r dw i t ht h er e s u l t so f o b s e r v a t i o n b e c a u s eo f t h ec o m p l e xr e s u l t sa l l - dag o o dm a n yf a c t o r s ，t h e nw em a k ea na p p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o np r o c e s s i n g ，t h er e s u - l t sa f t e rp r e d i g e s t i o ni sc o n s i s t e n tt ot h ep r e v e n i e n tr e s u l t s t h a ti st os a yo u rs i m p l i f i c a f i o ni st e a s 0 1 2 a b l e i nc h a p t e r3 ，o nt h ef o u n d a t i o no ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t si nt h ec h a p t e r2 ，w e p u ta ne m p h a s i s o i ld i s c u s s i o no ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sw h i c hh a v et i m e e v o l v e m e n t w ec h o o s et h ea p p r o p r i a t eo f p a r a m e t e r s a n da s s u m et h a tt h el o s sf a c t o ro f t h em o m e n t u mi sac o n s t a n t ，a n da s s u m et h a tt h ev e l o c i t ya n dt h et o s sf a c t o ro f t h em a s s o ft h es l o w e rs o l a rw i n di sac o n s t a n t u n d e rt h es i m p l ec o n d i t i o n ，w ec a r r i e do nt h e a n a l y s i so ft h es i d e r e a lm o l e c u l a rj e t sw h i c hh a v et i m ee v o l v e m e n t w eg a i nt h e r e l a t i o nb e t w e e ne a c hv a r i a b l ea n dt i m eu s et h ee q u a t i o nf r o mc h a p t e r2 ，a n dd r a wt h e r e l a t i o np i c t u r e sb e t w e e nv a r i a b l e sa n dt i m e i r la d d i t i o nt oi n d i v i d u a lc i r c u m s t a n c e w e f i n dt h a t0 1 1 1 r e s u l t sr e s e m b l et h eo b s e r v a t i o n a ld a t a i nc h a p t e r4 ，w ed i s c u s st h es i d e r e a lm o l e c u l a r j e t sa c c u r a t e l yw h i c hp r o d u c e db y t h eb o ws h o c kr e s e m b l et h er e a l i t y t h e nw ed e e p l yd i s c u s st h ei n c i d e n ts h o c ka n dt h e r e f l e c t e ds h o c k ，a n dw o r ko u tt h ee q u a t i o na n dt h ec r i t i c a lp o s i t i o no ft h ei n c i d e n ts h o c k a n dt h er e f l e c t e ds h o c k s ow ed i s c u s st h ec a s ew h e nt h ee j e c ta n g l ei ss m a l l ，a n dt h ev - a r i e t ya n dt h er e l a t i o no ft h ev a r i a b l e si nt h ea d i a b a t i cc o n d i t i o na n dr a d i a n tc o n d i t i o n t h e nw ew o r ko u tt h es p e e do f t h es h o c k o u rr e s u l t sa r ea c c o r d w i t ht h er e s u l t so f o b s e r v a t i o n ，a tl a s t ，w ed i s c u s st h er e l a t i o no f t h ev a r i a b l e sa b o u tt h es e c o n di e ts o u r c e t h ec h a p t e r4i sc o n c l u s i o na n dd i s c u s s i o n w es u m m a r i z e dt h ei m p o r t a n t c o n c l u s i o n so b t a i n e di nt h ep a p e ra n dp u tf o r w a r dn e wq u e s t i o n sa w a i t e ds t u d yi nt h e f u t u r e 山东师范大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t h em o l e c u l a r j e t s ，s h o c k ，h - ho b j e c t s c l cn u m b e r ：p 1 4 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中4 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或 证书使用过的材料。与我一同：l | 作的司志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弓爷，如 导师签字： 学位论文版权使用授权书 焉筇香 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：奄1 编 导师签字 签字日期：2 0 06 年f 月1 日 磊缯蕃 签字日期：2 0 06 年r 月研日 f 山东师范大学硕士学位论文 第一奄综述 本章将系统地阐述关于分子外向流的研究背景和意义，并详细介绍当前这一重 要课题的研究现状和发展趋势，以及具有代表性的研究成果。 1 1 恒星形成和初期演化过程中的天体物理现象 对恒星的起源和初期演化的研究是天体物理学的基本课题之一，这一研究一 方面有助于对星系结构和演化的理解，另一方面也关系到行星的形成，所以在天 体起源研究中，恒星形成研究起着枢纽作用。 对恒星形成的基本看法是，恒星由一个质量足够大的气体云在其自引力作用 下塌缩而成。在不考虑磁场和湍动时，气体云自引力的塌缩的判据是气体云质量m 必须大于金斯质量m ，即金斯判据a 由能量平衡条件求得： 帆= ( z r k t , t g n h g ) “2 p “2 = 1 8 m 0 7 a “n ” 这里p 是气体云的质量密度( g e l l l 。) ，t 是温度，g 是引力常数，“= 1 , 3 6 是气 体云的平均原子权重，m 。是氢原子质量，n 是粒子数密度( c m 3 ) ，a 扎是太阳质 量。观测可知，只有分子云有可能满足金斯条件，而原子云不能形成恒星；另一 方面，自引力支配所要求的最小柱密度与c o 、h z 等分子屏蔽紫外辐射免遭破坏所 要求的柱密度大致相等，也就是说恒星形成于分子云。 1 9 7 0 年在2 6 m m 波长处观测到宇宙中丰度仅次于h 2 的c o 分子这在观测上 使我们对恒星形成过程中分子云的塌缩和最早有可能直接观测特征的外向流有所 理解m 1 ，恒星形成研究有了突破性进展。 近3 0 年以来，红外i r a s 、2 m a s s 、i s o 、毫米波和亚毫米波s m a 以及v l a 、 g b t 等望远镜技术的飞速发展，为恒星形成研究提供了强有力的实测手段。通过 能谱分布( s e d ) 、速度位置图以及在垂直于外向流方向的高激发密度谱线的等值 山东师范大学硕上学位论文 线幽，确认了原。陋星形成的吸积盘的存在。3 0 多年来对小质量恒单形成区的观测 和理论研究表明i 。“，小质量恒星是在分子云巾通过塌缩、吸积和外向流过程而形 成的。 b a c h i l l e r 7 1 在1 9 9 6 年提出分r 云中巾小质量恒星形成和演化大致可以分为4 个阶段( 图卜1 ) 即从c l a s s o 到c l a s s i i i 阶段：c l a s s o 是引力塌缩和吸积阶段，也 图卜1小质量恒星形成的演化序列和能谱分布图【7 有外向流现象，能谱分布的峰值位置出现在大于2 0 岫的亚毫米处，能谱分布类似 于1 5 3 0k 的黑体谱，时标小于等于1 0 4 y r ；c l a s si 是吸积和外向流阶段，能谱 分布的峰值分布于远红外和亚毫米处，能谱比黑体谱宽，有红外色余出现，时标 2 习圈固囡习圈马 圈 山东师范大学硕士学位论文 约为1 0 4 y r 。 c l a s s o 和c l a s si 都有的大的气体和尘埃包层，c l a s s i i 阶段的能谱比黑体谱 宽，能谱峰值在近红外处，有红外色余，这个红外色余是由光厚的星周盘引起的。 c l a s si i 阶段的源能够在光学和红外波段被观测到，时标约为1 0 6 y r ；c l a s s i i i 阶段的 能谱类似于黑体谱，能谱峰值在光学和红外处，是零龄主序或主序前的恒星，时 标大于5 1 0 6 y r 。 对于大质量的恒星的研究目前还处于不甚成熟的阶段，主要原因在于：首先 大质量恒星从分子云塌缩到形成主序星经历的时间很短( 小于1 0 4 y r ) ，因此找到 大质量原恒星的机会很少：其次，一旦大质量恒星演化成主序星后，光致电离产 生火的h i i 区会破坏周围的环境8 1 。 那么大质量恒星是如何形成的? 观测证据表明，恒星形成活动大多发生在星 团环境中，大质量恒星的形成有可能通过中小质量的恒星的聚合而实现的 9 1 。 1 1 1 分子云的塌缩 恒星形成的触发机制一般有两种，即由于自引力导致的自发恒星形成机制和外 部触发的受激恒星形成机制。前一种情况源于分子云本身内能的流失，如热能辐 射、磁能双极扩散、湍动能的粘滞损耗等导致的分子云塌缩；后一种情况中，受 激恒星形成的外部条件丰要有：漩涡密度激波、云一云碰撞以及已经形成的恒星 的影响等。其中已有的恒星对恒星形成的影响包括恒星形成中的物质喷射、致密 电离氢区以及星体的辐射等【3 】o 分子云的塌缩是恒星形成的基本过程。当内部因素或外部触发因素导致分子云 团块不稳定时，这些团块将向中心塌缩。当离心力与引力平衡时，引力塌缩将停 止。这个阶段一般伴有外向流和旋转运动。 山米师范大学硕上学位论文 1 1 2 恒星形成区的吸积过程 分厂i 闭块塌缩时，物质的卜落足通过罔绕午轻犁的吸积龠向中心原阿, 7 - - 传 输物质，并且通过磁场带走吸积物质中的剩余动量。吸积盘由j 其t 度小，深埋 - 分子云中，给观测造成极大困难。用绕年轻恒星的第一个吸积盘发现于1 9 8 7 年 【4 。第一个大质量年轻恒星i r a s2 0 1 2 6 + 4 1 0 4 的吸积盘由美国国证天文台发现 1 0 , 1 1 图1 2 为其观测图像和模型。 图1 - 2i r a s2 0 1 2 6 + 4 1 0 4 的吸积盘观测结果 1 1 3 恒星分子外向流及其成协现象 1 外向流 在原恒星形成和演化早期，几乎所有的星体都经历一个高能的质量喷发阶段 分子双极外向流( 相当于小质量星形成的c l a s s 0 和c l a s si 阶段) 。分子外向 流一般与快速移动的h h 天体、高速水脉泽、激波激发的氢分子发射和氧化硅外 向流等成协即】。 另一方面分子外向流与原恒星形成过程存在一对一的关系，它们都是恒星正 在形成的标志。然而吸积盘由于其尺度小，深埋于分子云中，探测比较困难，因 此对恒星形成区的位于分子云核外部的具有大尺度延展的分子外向流的探测【l ， 就显得尤为重要。探测分子外向流常见的方法是根据巡天的”c o 资料，利用宽线 翼的1 2 c o 毫米波谱线来证认外向流【1 3 t 1 。至今为止利用上述方法已经在银河系发 现和认证了3 0 0 多个外向流 1 4 ，其中包括最为著名的e t a 星的外向流【l ”，见图l ，3 ， 4 山东师范大学硕士学位论文 而图1 4 为外向流的外观及各部位的速度示意图。 2 外向流对星际介质的影响 恒星形成活动中，吸积盘向中心传输物质，外向流带走中心分子云核的物质。 图1 3e t a 星及其外向流【1 5 l 图i 4外向流示意图【” 山东师范大学硕上学位论文 此外，外向流与星云核的物质作用，呵产生系列物理( 如激波、脉泽) 和 化学过程( 如释放7 垒埃表面的分一r ，改变7 i 态物质的化学丰度) ，从而改变墨云核 的演化分丁，：核的赝置远人j _ 弼i + 阿挈本q 的顷扎此外向流就很有可能驱散 年轻恒星婀用的气体和尘埃物质。更重要的是，外向流为譬阿、介质汴入了新的能 量，可能激发或影响卜一代恒是的形成。 例如，对处于c l a s s 0 阶段的原恒星l 1 1 5 7 区域的研究表明：该恒攫的光度只 有1 1 倍太阳光度，而外向流区域的运动温度却比原恒星附近的运动温度高，表明 恒星风对外向流区域有很强的加热作用。 此外，外向流还改变了气体物质的化学组成。对该外向流高分辨率研究发现， 其s i o 丰度在激波波前上有很大提高，在激波波前上s i o 无论是速度还是位置都 领先于c o ，表明外向流是通过激波的弧形波前来驱动的，这给激波驱动理论提供 了直接的观测证据 1 。 3 与外向流成协的天体现象 ( 1 ) 脉泽。恒星形成区的脉泽有可能是外向流触发的激波与环境物质相互 作用的产物，它可以出现在外向流的尾部，也可以出现在外向流的头部。另一种 可能是恒星形成区的脉泽是由恒星形成区的环境物质与星风相互作用所致 1 7 a 8 】。 对a f g l 5 1 4 2 研究表明，该区的水脉泽产生在一个大质量恒星形成取得吸积盘上， 高速的下落物质和吸积盘上的物质的相互作用会激发脉泽 1 。脉泽出现在不同位 置，也许是与形成环境的不同有关，这为研究恒星形成区的局部物理条件提供了 新的手段。 ( 2 ) h h 天体。h h 天体( 即h e r b i g h a r o 天体) 是一种半星半云状的特殊天体， 大多与小质量恒星形成区成协，是高速星风与环境分子相互作用而导致的激波激 发的表现。观测上一般发现它们位于分子云的表面，与分子外向流成协，旦与外 向流有相同的方向和延展。也就是说，它们发生在恒星形成的早期阶段，是恒 星形成的有效示踪物。 山东师范大学硕士学位论文 1 2 外向流驱动模型的研究进展 1 _ 2 1 关于外向流的驱动 2 0 世纪7 0 年代末，毫米波观测在许多年轻星体( y s o ) 周围发现了高速准直 的分子流( 如图卜5 和图卜6 ) 。这些分子流是由年轻星喷出并向外运动的，因 此被称为外向流。它们常常与h h 天体成协。人们发现它们是恒星形成的重要特征 之一，而且似乎足每个中等质量和小质量的恒星形成时必经的一个过程。因此， 图1 - 5h h 2 1 1 所产生的外向流 图1 - 6l 1 15 7 所产生的外向流【4 山东师范大学硕i 学位论文 研究外向流的性质对恒星f j 期演化的研究有重要意义。 那么是什么在驰动这些分f 外向流呢? 显然这一现象与从原恒星i 吹出的星风 有直接n 勺联系与此枷寸在光学波段发现了准直的高速外向流1 2 1 1 ( 如图i7 和剧 图1 。7n g c 3 2 4 2 2 图1 8n g c 6 8 2 6 1 2 山东师范大学硕士学位论文 1 8 ) ，方向j 分子外向流基本相同。一个很自然的想法是这两种准直性不同的外 向流存在着内在的物理联系，即都是由星风驱动的，早期的球对称星风1 2 2 】和大角 星风模型 2 3 , 2 4 先后被否定也促使更多的人转向这一想法。问题是：动量守恒或能 量守恒? 有人提出在外向流的i i 作面处可能先形成一些热的气泡，这些气泡的膨 胀推动分- f 气体向前流动1 2 “，起码在最初外向流刚形成时是如此；而根据m u n d t 等人的计算【2 ，光学波段外向流的质量损失率与速度的乘积比分子流的相应积小2 个数量级，说明如果动量守恒，那么星风不能驱动分子外向流。考虑到激波的压 缩作用，在计算中m u n d t 等人引入了一个参数压缩比( 4 3 15 ) ，把通过谱线得到 的电子密度除以这个压缩比才是外向流中的密度。 f q r a g a t 2 6 】手旨出人们观测到的辐射主要来自反射激波的复合区域而非入射激波 的复合区域。在反射激波的复合区域中，物质的密度已恢复到与入射激波前几乎 相同，因此在计算中根本不需要考虑压缩比，这样就把光学外向流的动量流量埘v 。 提高了近2 个量级，从而解决了动量驱动不足的困难。 后来m a s s o n 与c h e r n i n s l 对外向与周围介质的动量转移进了分析2 ”，发现所得 图像与观测事实大体符合。从此，动量驱动模型似乎占了卜风。此后，以此为基 础的模型也就风行一时。9 0 年代以来，各种各样基于外向流驱动( 动量守恒) 的 流体力学模型和数值模拟数不胜数。因此，本文仅介绍这类模型中几个有代表性 的模型。 另外，早在1 9 7 8 年就有人认为h i t 天体是超音速星风与其周围介质的相互作用 的产物28 1 。这一观点已随着理论模型与观测的良好符合被大多数天文学家所接受 【25 1 。因此对h h 天体的观测研究也可以检验外向流模型。最近北京天文台应用其 6 0 9 0 s c h m i d t 望远镜用i 片( 中心波长6 6 0 0 n m ，带宽6 8 n r n ) 和z 片( 中心波长6 7 2 5 n m ) 来寻找i 天体，在几个著名的外向流区域又发现了一些h h 天体口9 1 。 山东师范大学硕上学位论文 1 2 2 外向流驱动模型的分类和介绍 1 卡楚剧的球水胛沦 汁先，从年轻足喷出的超青速犟风冲入其周围的静止介质，必然要，。生一个 弓形激波( 这种弓形激波结构已在许多h h 天体中被发现，例_ ! z n h h i ，h h 3 4 等吲) 。 这种弓形激波实际i ：足双层结构：外面层激波的作用是加速周围静j i ：的介质使 之达到壳层的速度，里面一层是外向流与壳层作用形成的，作用是使星风减速至 壳层的速度。 同时，也发现为数不少的h h 天体就像老树的节( 称为k n o t s )样横在外向流 的路径上。天文学家们认为它们就是一些激波层，又称作“工作面”【2 5 。 2 分类 d ey o u n g d o 把星风与周围介质的相互作用分为两大过程：( 1 ) 立即带动，发 生在茧壳头部( 通过弓形激波) ；( 2 ) 定态带动，发生在星风边缘，通过湍流。 后来的模型可以根据哪种过程占主导分为两类：定态带动 3 1 , 3 2 】和立即带动 阢3 3 ，34 1 ，其中r a g a 假设弓形激波后面跟着湍流尾迹，但后来的数值模拟没有显 示出有这种结构，因此在这里暂不讨论它。 3 模型的假设和主要结论 ( 1 ) r a g a 耦合模型口 1 9 9 0 年，r a g a 等人建立了一个模型【3 6 ，在该模型基础中，他们做了如下假设： 考虑已含有许多“内工作面”的外向流；湍流包层与环境保持压力平衡，其实这 正反映了定常状态；湍流包层等温：封闭式，即张角为在实验室里测得的亚音速 流的张角的一半；截面盯= o - o ( 二兽) ，其中x 。为喷嘴处的外向流半径，x 为截 0 面所在处与外向流源之间的距离。 山东师范大学硕士学位论文 r a g a 等人通过系列的计算，所得的主要结论为：纽结( k n o t s ) 对应内工作 而，见示意图i - 9 。他们得到了强度图和位置一速度图，图上一些明显的特征( 如 低速部分比高速部分空间范围大) 与i 。15 5 1 3 7 1 , f n o r i o nb 3 8 1 的观测接近。此外，他 们还得出_ r 一些参数：例最大观测弓赫数m 。，最大速度v 。，分了流最大半径 图l 一9 分子外向流示意图像3 月。，最小半径尺m m 和质量m ，并与观测作比较。该模型的缺点是预言的外向流 叶准直性太高，可能是以下原因：一是射电观测的分辨率不够；二是由实验来确 定的张角可能引入误差。文献 3 9 指出此模型的另一缺点是喷出动量将通过湍 动传给越来越多的物质，这样会导致湍流包层中的平均速度很快下降。这与观测 到的外向流速度的标准速度分量随距离增加而上升不符。 ( 2 ) s t a h l e r 模型【3 2 该模型并没有给出外向流的整个图像，而只是由湍流( 粘性带动) 假设和经 验公式望? ：亡) ，( 质量分布公式，其中是常数，对每个外向流不同。而rz 1 9 ) d v让 得出了速度分布，由此速度分布结合观测效应解释了观测位置速度图上最明 显的特征加速，这样就得出快速物质通过湍流带动周围介质是产生加速的原 因，从而验证了湍流带动的基本图像。 1 1 山东师范丈学硕士学位论文 ( 3 ) m a s s o n & c h e m i n ( m c ) 模型2 7 该模型m a s s o n & c h e m i n 于1 9 9 3 年提出，其基奉理论足：位于外向流差别部的 弓形激波在向前推进的l 丌jh 、也传递动邂给两边的介质，仙之一生一个横向速度。 网为是弓形激波，周围自然要有部分介质( 不是位3 正前方的) 被斜向激发。 丁是外向流就像 1 雪车一样扫出周围很大一块地方，称为茧壳( 见图1 - 1 0 ) 。这个 茧壳彳i 断向外膨胀，商至与周刖介质达到压力平衡。由于冷却的作用，这个茧壳 可能会比绝热情形窄一些，但基本图像还是不变的。在这样一个图像下，他们又 对模型作了进一步的简化：忽略湍流造成的影响，仅考虑平均动量；假设动j i i 平 衡( 以激波为参照系) ；忽略外界压力，茧壳内离外向流头部远处的压力也可以 忽略；假设外向流半径不变；假定年轻星在云的核心，密度以r 。向外递减，这种 密度梯度可以使激波速度随距离增加。 图1 一1 0 外向流的茧壳结构0 9 1 这个模型计算了单位时间内转移到周围介质的动量，成功地产生了可与观测 相比较的位置速度图( 尤其是甚高速) ，- 与n g c 2 2 6 4 g 4 0 1 ，m o nr 2 4 1 1 和n g c 2 0 2 4 g 3 8 1 的观测结果致。缺点是模型预言的叶太窄，但这可以通过假设外向流 方向的偏离来解决，这在观测上可表现为投影效应蜘；另一个问题是只计算了外 1 2 h 东师范大学硕上学位论文 向流刚喷出时的情形，这样模型仅适用于年轻的外向流。随后g h e r n in 等人作了数 值模拟，证实了该模型。 4 二个模型的比较 需要指出的是，以上三个模型还都很粗糙，只能与观测作定性的比较。由于 外向流的马赫数很高，所以通过恒星风头部的弓形激波与物质相互作用立即带动 的模型可能是事实上的主要过程【3 ”，但在茧壳中也存在湍流过程( 即定态带动) 。 主要证据是：首先，在分子观测上，甚高速分量的速度随距源的距离增加而下降， 而标准高速分量的速度却随距源的距离增加而上升【43 】；其次，c h e r n i n 等人的数值 模拟由于方法的限制很难得到茧壳里的性质。何况外向流也有可能解体，由解体 处向外运动会变成完全的湍动。另外，在m c 模型及c h e m i n 等人的数值模拟中只是 在外向流头部毫米波段对c o 的观测发现两种具有不同速度的外向流分量，即标准 高速外向流和极高的速度分量，才有一个弓形激波层，即他们的外向流只有一个 “工作面”。这显然与大多数光学外向流的观测事实不符。如果考虑到外向流出 射速度随时问的变化，r a g a 等人的多工作面外向流模型更符合实际情况。这样立 即带动假设可以修改为：不只是在外向流头部的弓形激波处，而且在外向流路径 上的任一“工作面”( 它们实际上是后来的弓形激波) 处，都发生动量输运。再 有，湍动模型的热平衡与化学平衡( 可由压力平衡得到) 假设暗示分子可以在湍 流包层中形成，并产生准直的高速辐射。这可以解释一些超高速c o 外向流，例如 0 r i o nb 和h h 2 11 1 38 1 。 1 2 3 外向流驱动模型新进展 近年来，哈勃空间望远镜对h h 4 7 等外向流结构的细致观测对理论提出了更高 的要求，又有s t o n e 等人在前面几个模型的基础上，主要采用m c 的立即带动图像， 考虑了开尔芬亥姆霍兹不稳定性对外向流的影响，作了新一轮的数值模拟 3 5 , 4 4 , 4 5 】。他们头一次考虑了非平衡电离，给出了不对称的致密斑结和丝状结构，这 正是哈勃空间望远镜最近观测到的精细结构的主要特征。当然，除此之外，这几 年的流体力学模拟还有b i r o 4 6 1 和s u t t n e r 【4 7 】等，这里就不逐一介绍了。根据上面的模 拟，s t o n e 等人又提出了新模型【 、”j 。这个模型的主要假设是： 山东师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 外向流密度均匀，且人，：周围介质的密度 ( 2 ) 内磁场均匀； ( 3 ) 柞：激波边界 + 总n i ，j 甲衔： ( 4 ) 采用了参考文献 2 7 得出的冷却甬数。 其主要结论足 ( 1 ) 该模型得到了由冷气体组成的币对称致密纽结( 见图1 一1 1 ) 。这种纽结 的形成机制i 叮能有两种：表面波产生的大幅度振荡或是外向流的解体。 ( 2 ) 该模型认为不需要外向流进动的假设，开尔芬亥姆霍兹不稳定性导 致的振荡即可使外向流拐来拐去。这正是对m c 的方向偏离假设的最好说明。当然， 使外向流方向变化的原因可能不止这一个，周围介质的各向异性、吸积盘的迸动 都是可能的因素。 ( 3 ) 该模型的结果还显示：一旦表面波的振幅与外向流半径相当，外向流将 会解体( 见图1 1 2 ) 。 图1 11 外向流纽结的形成【3 5 1 图1 1 2 外向流的解体1 3 5 】 山东师范大学硕士学位论文 1 2 4 需要进一步考虑的问题 这里特别要指出的是对激波后的气体的电离结构的考虑。c h e m i n 等的数值 模拟【3 3 1 虽然考虑了冷却效应，但却仅仅假设冷却在t = 7 0 0 0 k 以卜不起作用：并且 他们假设气体是完仝电离的，这显然与观测相悖 2 3 , 4 3 】。 在s t o n e 和n o 衄a 1 1 考虑非平衡电离及对氢元素计算的基础上，r a g a i 4 9 1 考虑了1 8 种离子的电离率方程，用于估计辐射冷却函数，并做了数值模拟，得到冷却特征 长度等于1 1 0 弓形激波半径。但该数值模拟只考虑了一个简单的情形超音速平 面流撞击刚球，并且总结说：冷却函数在1 0 4 1 0 6 k 的范围内是准确的。这并不比 c h e m i n 等的数值模拟强多少。但该工作的确给这方面的考虑开了一个头，说明在 电离结构方面已有的模型做得还很不够，还需要进一步的工作。 当然，除了气体的电离结构之外，外向流出射速度随时间的变化规律与外向 流的产生机制有关，对此及有关剪切混合层的细节还需要进一步的研究，将来的 模型应该考虑这些冈素。另外，几乎所有的作者都认为磁场对外向流影响不大， 这点文献 4 5 做了分析，认为在一般情况下磁场对外向流影响很小，证实前人的 考虑是对的。 另外，不一定每个外向流和与之成协的h h 天体的形成机制都是r 样的，r a g a n c a n t o 5 0 1 计算了一束外向流注入一块云中的情形，外向流在界面处被反射，准直 性变差。他们把数值模拟的结果与h h l l 0 的观测作了比较，发现符合得相当好。 这个h h 天体可以看成是由在它东北的一个外向流( h h 2 7 0 ) 射入一块致密的云所 产生的，自然和外向流本身的产生不相关了，但这有待于更多的实测来证实。 l j 东师范大学硕士学位论文 第二章恒星的三维圆锥形茧壳层产生的外向流 虽然r a g a 、s t a h l e r 、m a s s o n & c h e r n i n 等人都对其理论做了相应的数值模拟， 但始终没有一个较为完善、与实际较为符合的分析模型提出，所以关于外向流的 运动规律始终没有一个定