年轻Ia型超新星遗迹在不同星际介质中的动力学演化研究

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超新星遗迹是恒星在演化末期经历一场灾难性爆炸之后的产物。超新星在爆发期间会抛射包层物质并将超过1051尔格的能量以动能的形式释放到星际空间中,这些抛射物质以超声速在星际空间传播,随之产生的激波会快速扫过周围星际介质,将其压缩并加热至高温,从而产生热辐射。此外,激波还能够加速粒子到极高能量并伴随着非热辐射的产生,因此超新星遗迹是银河宇宙线可能的起源地点。近年来,多波段观测不仅证实了超新星遗迹能加速宇宙线粒子到极高能量,而且也表明遗迹的形态应与背景介质分布、前身星性质及其星风结构等因素密切相关。本论文中,假定年轻Ia型超新星遗迹以柱对称的形式演化,通过二维磁流体动力学(MHD)模拟,我们研究了不同星际介质中演化的超新星遗迹的动力学性质。在模拟中考虑了星际介质的三种不同的物质分布结构:均匀介质,湍动介质和云团介质,在模拟之前计算了大尺度密度和磁场波动并映入计算区域且事先通过随机分布设定云团介质。主要的研究结果如下:(1)对比于均匀介质中的演化,超新星遗迹的演化形态在湍动介质和云团介质中偏离对称性。在均匀介质中,遗迹中的三种波随着时间的演化形成:前向激波、接触不连续面和反向激波,特别是在反向激波扫过的抛射物质和前向激波扫过的星际介质之间可触发瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)不稳定性,遗迹基本上是对称的;湍动的介质可引起前向激波波纹状,且扭曲瑞利-泰勒不稳定区以及遗迹的形态;最后云团和激波之间的相互作用由Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性主导,但随着时间演化,云团的直接碰撞抑制和扭曲瑞利-泰勒不稳定区域和指状结构,激波与云团间的相互作用最终导致云团碎裂和稍微偏离对称性。(2)超新星遗迹的磁场结构在三种不同的介质中是不同的,一般而言,磁场在瑞利-泰勒不稳定区域附近被强放大,但是磁场放大区域的宽度在三种情况中完全不同。均匀介质情况中磁场放大区的范围与其它两种情况相比是较小的;在湍动介质情况中,磁场放大区向外扩展且在前向激波的即下游区域成峰;在云团介质情况中,由于正反激波间的云团和达到瑞利-泰勒不稳定区域的云团的影响,磁场放大区向外和向内扩展,而且磁场放大与云团密度密切相关,随着云团足够接近瑞利-泰勒不稳定区域,最大磁场强度显示一个尖锐的增加。(3)对于超新星遗迹的二维数值模拟,尽管在二维笛卡尔坐标系中模拟可定性地再现在二维柱对称中模拟的结果,但二者定量上存在显著不同。一方面,在二维笛卡尔坐标系中正反激波间的密度和放大的磁场强度极大地增加,特别是在瑞利-泰勒不稳定区域,但是这样的情况不出现于二维柱对称的情况中。另一方面在给定时间的二维柱对称中的前向激波半径远小于二维笛卡尔坐标系中的,前者按照r ∝ t2/5演化而后者按r ∝ t1/2 演化。本论文结构如下。第一章综述性地介绍超新星的爆炸机制、光谱学分类等以及超新星遗迹的背景知识。在第二章中,我们介绍本文中所使用的磁流体模拟代码(PLUTO)、超新星遗迹中的激波动力学相关方程和磁流体动力学中常见的三种流体不稳定性(瑞利-泰勒不稳定性、开尔文-亥姆霍兹不稳定性和Richtmyer-Meshkov不稳定性)。第三章介绍我们的主要研究结果。最后一章是总结和展望。
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