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双星吸积盘中螺旋激波致物质外流研究进展

吸积外流过程是宇宙中许多高能现象背后的重要物理机制。它广泛地出现在原恒星/行星形成、活动星系核、伽马暴、快速射电暴以及致密星双星系统等的物理过程中。但是到目前为止,国际上吸积盘理论中各种主流的吸积外流模型大多需要磁场的参与。这对于某些弱磁甚至无磁环境下的天体物理过程的解释是不利的,如:原恒星/行星形成、弱磁/无磁白矮星的吸积外流等等。

另一方面,做为主流吸积外流理论的有益补充,吸积盘中的激波几十年来一直断断续续被不少研究者所关注。激波是一种广泛存在的天体物理过程,它在流体中的出现需要一个前提条件——超声速。对于如中子星、黑洞这类极其致密的天体,它们的引力势阱很深,吸积流在到达致密星前一定会在径向上被加速到超声速状态。因此这类天体的吸积过程中主要发生的是径向驻留激波。但是在某些如原恒星/行星或白矮星,它们的致密度比中子星和黑洞要低,引力势阱较浅,引力对吸积气体的束缚较弱。因此它们的吸积盘容易受到外界环境的影响,发生一些非轴对称的扰动。同时由于旋转气体的开普勒速度往往都是超越局部声速的,因此很容易出现非轴对称的螺旋激波。流体动力学中,激波过程的出现往往伴随着剧烈的气体压缩与加热,这导致被压缩的气体在激波后温度剧烈上升,可为逃逸出引力势阱提供巨大能量,从而导致相应的物质外流。

近期我系外籍博士后Aktar与我系薛力副教授和刘彤教授合作开展双星吸积盘中的螺旋激波研究。我们在Chakrabarti 1990年的单星自相似螺旋激波模型的基础上,通过将牛顿引力势换成洛希等效势并加入转动坐标系下的科里奥利力,把双星系统的影响引入构建了新的模型(模型示意图见图1)。为了简化求解问题,我们继续沿用自相似假设,并通过逐点求解的方式获得了完整的螺旋激波解。我们的模型参考了Aktar在博士期间的径向激波致物质外流理论,计算了螺旋激波致外流率。我们还将新模型应用到白矮星双星系统的吸积盘中,我们计算了Ia型超新星的前身星系统参数空间中的螺旋激波致物质外流率分布(见图2)。我们的研究结果说明,弱磁/无磁和弱粘滞/无粘滞的双星吸积环境下,物质外流依然可以出现并且其效率不可忽略。我们的模型由于是解析模型,十分适合应用在长时标的双星系统演化研究中,为处于物质交流状态的系统提供合理的物质外流估计。这对于Ia型超新星单简并通道下的前身星研究中的光学厚物质风假设(该假设没有很好的观测支持),即使不能完全消除,也可大大缓解。

该研究成果已被The Astrophysical Journal接受发表(https://arxiv.org/abs/2109.05020),第一作者是博士后R. Aktar,第二作者兼共同通讯作者是薛力副教授,合作者是刘彤教授。



1 模型示意图


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2 双星参数空间下的螺旋激波致物质外流率分布