近日，上海天文台陈亮研究员和合作者张冰教授对此问题的研究取得突破性进展，成功构建了磁主导喷流的通用解析模型，定量解析地刻画了喷流的所有性质（包括磁场、速度、密度、电流和电荷等的三维分布），也就描述了喷流的产生、加速和准直整个过程。该工作以“天体物理磁主导喷流和风的解析解：喷流的产生、加速和准直（Analytical Solution of Magnetically Dominated Astrophysical Jets and Winds: Jet Launching, Acceleration, and Collimation）”为题已经发表在天文顶级期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）。
早在100多年前，人类已经发现了宇宙中的喷流现象；而对喷流开展大规模研究，则始于50多年前，这主要得益于当时射电天文望远镜的空前发展。普遍认为，磁场在整个喷流过程中起到了至关重要的作用。描述磁主导喷流的最核心方程是维持其径向动力学平衡的方程，被称为“脉冲星”方程（无力条件成立时）。上世纪60年代，该方程便已建立；但由于该方程是一个高度非线性方程和其奇点特性，即使通过数值方法也不容易进行求解。
图1：M87喷流，图片版权：NASA,ESA和哈勃遗产场团组（STScI/AURA）
随着近二三十年计算机能力的提升，利用大规模数值模拟研究喷流问题得到迅速发展，显著的增加了人们对喷流物理的理解。然而，数值方法的复杂性导致其结果很难定量解释不断累积的各类观测数据。
陈亮介绍道，受到数值模拟的启发，他将“脉冲星”方程一分为二，形成分别描述旋转项和非旋转项的两个方程，并发现它们不但存在解析解，而且互相吻合。基于此近似解析解，进一步构建了喷流的解析模型，定量解析地刻画了喷流的所有性质。
定性上来说，喷流形成之初，强大的磁场像一根坚硬的钢丝绳被致密天体系统带着旋转。等离子体几乎不能横穿磁力线运动，只能被束缚、冻结于磁力线上，沿其自由滑动。旋转的磁力线通过离心力将冻结于磁力线上的等离子体甩出去，产生喷流。此时，喷流中的旋转磁场还主要以极向主导，而等离子体则是以环向运动主导。
随着喷流向外传播，磁场不断衰减，由于磁场强度不同所产生的磁压梯度力，不断加速喷流。随着磁场能逐渐转化为喷流的动能，磁力线变得扭曲环绕起来。在跨过被称作“阿尔文面”的特征面后，磁力线几乎扭曲到以环向主导，而喷流逐渐体现为以极向主导，即喷流主要是沿着远离致密星系统的方向向外运动。
图2：黑洞自旋a=0.1产生的喷流，其中绿线代表磁力线；有颜色的线表示喷流中等离子体的轨迹线，不同颜色对应着不同速度，颜色越紫，速度越接近光速。
此解析模型不但与以往的数值理论结果一致；同时，该模型还能应用到黑洞、中子星等致密星系统，用于解释活动星系核、伽玛射线爆和脉冲星等天体的主要观测现象，比如喷流轮廓、喷流的加速、周期性光变、结构化喷流，以及脉冲星喷流的产生和其极高的星风速度等等。同时，该模型预言了更丰富的现象，等待天文学家未来的检验。
陈亮介绍，解析模型注重抓主要矛盾，对诸如局域不稳定性等细节问题仍未考虑；数值模拟像开展基于不同参数设置的实验研究，考虑了不同情况的细节。解析模型和数值模拟相互补充，解析模型有助于理解数值模拟并为其提供有力检验，数值模拟为解析模型增加了更多细节测试和描述。
科研论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc42d
科学联系人：陈亮，中国科学院上海天文台，chenliang@shao.ac.cn
新闻联系人：左文文，中国科学院上海天文台，wenwenzuo@shao.ac.cn, 34775125
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