【摘要】：在前人構(gòu)建的彗星狀H Ⅱ區(qū)演化過程模型的基礎(chǔ)上,我們進一步發(fā)展了一個完全的數(shù)值方法模型來研究彗星狀H Ⅱ區(qū)的動力學(xué)演化。我們的數(shù)值模型同時兼顧了弓形激波模型(bow shock models)口香檳流模型(champagne flow models),并對兩種模型做了對比研究。在文章中我們在研究H Ⅱ區(qū)電離氣體運動狀態(tài)的同時,也對PDR區(qū)域做了同樣的研究。在模型中除了計算流體力學(xué)方法的應(yīng)用之外,我們也計算了電離氣體的加熱制冷過程,中性氣體在恒星輻射下化學(xué)成分的變化以及中性區(qū)域的加熱制冷過程。這使得我們的模型能夠同時給出H Ⅱ區(qū)及其PDR區(qū)域演化過程的可靠模擬。H Ⅱ區(qū)中電離氣體所發(fā)出的[Ne Ⅱ] 12.81μm精細結(jié)構(gòu)線、H30α復(fù)合線與[Ne Ⅲ] 15.55μm線和PDR區(qū)內(nèi)中性氣體所發(fā)的H2分子轉(zhuǎn)動能級J=4→2線的譜線輪廓都在文中做了詳細的分析,同時我們比較了兩種模型中H Ⅱ區(qū)與PDR區(qū)內(nèi)所發(fā)射的譜線輪廓的異同。分析顯示兩種模型在比較中展示了多處的不同,以至于可以通過這些不同來區(qū)分香檳流模型與弓形激波模型。在香檳流模型中,不同元素的電離波前與解離波前都會不停地向外傳播,但是會在某一個時刻被激波超過而掉入因H Ⅱ區(qū)擴張擠壓周圍中性氣體而形成的高密度殼層中。電離區(qū)域所貢獻的輻射線清楚地反映了由于壓強梯度造成的方向指向H Ⅱ區(qū)尾部的加速度對電離氣體的影響。在殼層中的分子氣體的運動則主要由H Ⅱ區(qū)的膨脹決定。然而,在弓形激波模型中,在一段時間以后,HⅡ區(qū)與PDR區(qū)的大小并不隨時間變化。電離氣體的主體運動方向與恒星移動方向相同。在H Ⅱ區(qū)里電離氣體也受到壓強梯度所造成的指向尾部的加速度的影響,然而這種影響要弱于香檳流模型中。在殼層中的分子氣體的運動主要反映殼層中氣體隨恒星的運動。在軸向速度上,由拱頂處與恒星同速到尾部速度逐漸接近0 kms-1。另外,在兩個模型中,處于激波以外的分子氣體的運動狀態(tài)受大質(zhì)量恒星的影響由于比較小,無法清晰地反應(yīng)在譜線信息中。文章結(jié)構(gòu)寫在下面：在第一章中,介紹了彗星狀H Ⅱ區(qū)模型的發(fā)展過程,分別講述了香檳流模型和弓形激波模型的理論原理與發(fā)展過程。除了模型的發(fā)展之外,文中也說明了與彗星狀H Ⅱ區(qū)演化有關(guān)的不穩(wěn)定性,包括瑞利泰勒不穩(wěn)定性、薄殼層不穩(wěn)定性和遮蔽不穩(wěn)定性。在第二章中,主要介紹我們在制作彗星狀H Ⅱ區(qū)模型時所使用的方法。在流體力學(xué)方程的處理中,我們采用計算流體力學(xué)中的歐拉方法以柱坐標(biāo)下固定的二維網(wǎng)格來進行實際的計算模擬。接著描述了為實現(xiàn)對H Ⅱ區(qū)演化的穩(wěn)定可靠模擬計算而應(yīng)用的兩種格式方法,一種是有限差分格式中的NND-1格式,另外一種是有限體積方法中的HLLC黎曼解格式。前者在處理H Ⅱ區(qū)內(nèi)高溫恒星風(fēng)氣泡時可能會出現(xiàn)負(fù)溫度的現(xiàn)象,后者有一些受網(wǎng)格線方向的影響,經(jīng)試驗將兩種格式交替使用能夠同時解決前述兩種問題。同樣,這一章中彗星狀H Ⅱ區(qū)及其周圍PDR部分的輻射轉(zhuǎn)移與加熱制冷機制的模擬計算方法也做了說明。首先介紹了與氫原子氣體電離復(fù)合有關(guān)的知識,之后介紹了在H Ⅱ區(qū)內(nèi)電離氣體加熱制冷過程在模型中的計算方法。在H Ⅱ區(qū)內(nèi)加熱主要靠電離光子在電離氫原子過程中對自由電子熱動能的貢獻,冷卻則包括了氫離子復(fù)合與各種金屬線的過程。在講述PDR區(qū)的部分中,先介紹了和H.C.O.Si和Fe元素有關(guān)的離子、原子和分子之間化學(xué)反應(yīng)的計算方法。之后說明了中性區(qū)域內(nèi)的加熱過程,包括塵埃顆粒光致電離、H2分子的解離和復(fù)合、宇宙線的輻射。中性區(qū)域的制冷過程包括各類金屬元素的精細結(jié)構(gòu)線如[O Ⅰ]631μm.[O Ⅰ]146μm、[C Ⅱ]1581μm、[Fe Ⅱ]26μm、[Fe Ⅱ]35μm、和[Si Ⅱ]35μm,也包括分子轉(zhuǎn)振動能級碰撞激發(fā)以及和塵埃有關(guān)的冷卻過程。在PDR區(qū)域冷卻過程的最后介紹了光深對金屬元素精細結(jié)構(gòu)線的影響。在第二章的最后一節(jié),我們介紹了通過彗星狀H Ⅱ區(qū)演化的流體力學(xué)模型所得出的結(jié)果來計算譜線輪廓的方法,包括[Ne Ⅱ]12.81μm、H3α、[Ne Ⅲ]15.55μm及H2S(2)線的譜線輪廓計算方法。第三章中,我們給出了不同參數(shù)條件下的香檳流模型和弓形激波模型的計算結(jié)果。我們先對電離氣體所發(fā)射的[Ne ⅡI]12.81μm、H30α和[Ne Ⅲ]15.55μm線作了研究。我們不僅在香檳流模型與弓形激波模型之間作了比較,也對模型中的不同參數(shù)對譜線的影響作了研究。之后,我們也對PDR區(qū)域內(nèi)所發(fā)射的H2S(2)線的譜線作了研究,并且給出了以上四種射線的位置-速度圖。本章內(nèi)對模型和譜線研究的具體結(jié)果已在摘要第一段中給出。在第四章對文章的結(jié)果作了總結(jié)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P185.81
【圖文】：

斷線與Ｈ角代表的是無恒星風(fēng)情況下，電離波前隨時間位置的理論結(jié)果和實際逡逑計算結(jié)果。逡逑如圖１．２所示，恒星在中屯、發(fā)出的恒星風(fēng)，首先在中屯、白色區(qū)域內(nèi)一種完逡逑全不受阻礙近似絕熱的方式進行超聲速的流動，一般認(rèn)為此區(qū)域內(nèi)恒星風(fēng)氣體逡逑物質(zhì)的溫度應(yīng)與恒星表面的溫度相近（？ｌ0４Ｋ）；接著，當(dāng)超聲速流動的恒星逡逑風(fēng)氣體經(jīng)過反向激波（ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｓｈｏｃｋ）之后，氣體速度降低，動能轉(zhuǎn)化成為熱能，逡逑因此氣體溫度升高到１0６？１0８邋Ｋ，送一部分恒星風(fēng)氣體為主組成的區(qū)域被叫作逡逑恒星風(fēng)氣泡（ｓｔｄｌａｒ邋ｗｉｎｄ邋ｂｕｂｂｌｅ）；恒星風(fēng)氣泡外側(cè)的電離區(qū)內(nèi)，電離氣體在電離逡逑福射影響下溫度在１０４邋Ｋ的平衡溫度左右，所Ｗ高溫的恒星風(fēng)氣體能夠推動被逡逑福射加熱的氣體向外膨脹。在ＨＩＩ區(qū)Ｗ外，中性氣體被電離氣體推動擠壓形成逡逑一個殼層。同樣

體只有動能上的影響而沒有熱能的傳遞。逡逑模型將電離殼層分隔成多個部分，然后通過對這些部分的質(zhì)量、動量和位逡逑置的計算得到殼層各個部分的厚度（見圖１．６）。逡逑Ｍａｃ邋Ｌｏｗ等人雖然成功地使用拉格朗日方法模擬出了弓形激波的形狀、電離逡逑層的厚度，也在此基礎(chǔ)上得到福射光譜，并與實際觀測到的光譜相比較ｔＡｉｙｓｉ。逡逑可是其方法過于簡單，不能給出每個局部區(qū)域內(nèi)各個物理量詳細的描述，特別是逡逑弓形激波處的冷卻效率并不一定如假設(shè)的那么有效，因此Ｃｏｍｅｒ６ｎ等人在１９９８逡逑年用固定網(wǎng)格的歐拉方法對弓形激波模型進行了模擬Ｐ４Ｌ逡逑Ｃｏｒｎｅｒｓ這次采用的流體力學(xué)計算方法與其在１９９７年計算香i流模型時幾逡逑乎相同。主要的不同在于使用弓形激波模型恒星超聲速運動的假設(shè)替代香榜流逡逑模型中密度梯度的假設(shè)。香棋流模型中有關(guān)加熱制冷機制的計算方法也被應(yīng)用逡逑到了弓形激波中，并與Ｍａｃ邋Ｌｏｗ等人在立即冷卻（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ邋ｃｏｏｌｉｎｇ）假設(shè)下逡逑得到的計算結(jié)果作了有意義的比較。逡逑在恒星風(fēng)的動量與周圍氣體沖擊壓強的平衡假設(shè)下可得到：逡逑Ｒ。二腐．邐。．７）逡逑其中Ｐａ代表周圍氣體的密度，Ｒ0代表恒星風(fēng)與周圍氣體壓強平衡處于恒逡逑星的距離。在立即冷卻理論中，半徑Ｒ0出應(yīng)該存在于密度很高、溫度較低的薄逡逑９逡逑

強的恒星風(fēng)有利于形成弓形激波；反么，較快的恒星移動速度與較弱的恒星風(fēng)逡逑則可能不能產(chǎn)生弓形激波。同時研究也發(fā)現(xiàn)，太高的恒星風(fēng)強度會引起弓形激逡逑波的不穩(wěn)定。圖１．６給出了弓形激波的演化過程。逡逑１．２．３香榜流模型和弓形激波模型的比較逡逑在早期的數(shù)值模巧工作中，密度和溫度在均勻一致高密度低溫分子云氣體逡逑和均勻一致低密度高溫稀薄星際介質(zhì)么間的交界處是不連續(xù)的。不過對于宇宙逡逑中實際情況來說，這樣的假設(shè)可能過于簡單和理想化了。實際情況中，物理量逡逑的變化應(yīng)該是連續(xù)漸變的。逡逑Ａｒｔｈｕｒ等人２００６年將這一思想加入了香榜流模型中。香榜流模型的計算被逡逑應(yīng)用到了一個高密度梯度同時又連續(xù)變化的分子云區(qū)域中。在新的模型計算中，逡逑Ａｒｔｈｕｒ與她的合作者比較了不同密度梯度、不同恒星風(fēng)大小Ｗ及有無恒星風(fēng)存逡逑在對香擦流模型的結(jié)果的影響。同時，她還將香模流模型的結(jié)果與弓形激波模逡逑型的結(jié)果相比較，得出了一系列有趣的結(jié)果ＵＷ。逡逑在Ａｒｔｈｕｒ的研巧中，通過比較這些不同條件下的模擬結(jié)果，得出了一些重逡逑１０逡逑

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本文編號：2749959