流体和磁流体束条在自引力作用下的动力学塌缩及稳定性性质

Spacecraft observations reveal that embedded along molecular filaments of interstellar medium, protostars, molecular cloud cores, dust clumps form sequentially in chains under self-gravity. Along relatively smaller molecular filaments in mass and size, it would be possible to form brown.dwarfs and gaseous planets etc. Likewise, Along relatively larger molecular filaments in mass and size, it is possible form relatively large to very high mass stars from which compact astrophysical objects can be derived, including white dwarfs, neutron stars, and black holes etc. Based on research initiated in recent years, we explored (magneto)hydrodynamic evolution of general polytropic cylinders under self-gravity, including collapses, expansions, shocks and additional axial flows and corrected major mistakes in pertinent model analyses in the literature..In the next several years, we propose to conduct comprehensive investigation in depth, obtain rich self-similar dynamic solutions and understand their stability properties. This research would be significant for describing the above astrophysical phenomena and for understanding pertinent physical processes. These analytical and semi-analytic numerical solutions are extremely valuable for developing and calibrating numerical codes and self-consistent numerical simulations. Model research of such dynamic cylinders can be also applied to much.larger scales, including massive (dark) matter filaments on cosmological scales and gravitational collapse instabilities of forming clusters along such filaments.

空间卫星观测揭示星际介质中的分子束条上，原恒星、分子云核、尘埃块等在自引力作用下成串序列形成。沿着质量和尺度相对小的分子束条，可以形成褐矮星和气体行星等。同样，沿着质量和尺度相对大的分子束条，可以形成较大质量到超大质量恒星以及由它们演化而成的致密天体（包括白矮星、中子星、黑洞等）。基于近年来开始的研究，我们开拓了广义多方柱在自引力作用下的（磁）流体动力学演化，包括塌缩、膨胀、激波和沿轴向流动的存在，也纠正了过去相关动力柱模型研究中的严重错误。我们建议在今后几年中开展深入全面的研究，获取更丰富的柱自相似动力学解并了解它们的稳定性性质。这对刻画上述一系列天体物理现象和理解相关物理过程非常有意义。这些解析和半解析数值解对发展和校准相关数值编码以及进行自洽的数值模拟是非常珍贵的。这类动力柱模型研究可有更大尺度的应用，包括宇宙学尺度的大质量（暗）物质束条和沿着束条引力塌缩不稳定性形成的团系统。

基于对球对称自相似动力模型的广泛深入研究和经验，我们启动了对轴对称长柱状流体和磁流体动力学演化问题的研究（Lou 2015；Lou & Xing 2016）。我们按项目计划提炼出几个模型问题，所涉及的参数较多，我们获得自相似动力演化解析解和数值解，依照物理从不同的角度探究参数区域，逐步开展了流体和磁流体束条在自引力作用下的动力演化及稳定性研究。我们跟踪各种线索和通过数值探索尽可能多地求得各种类型的解，并了解它们的物理（Lou & Lin 2022a)，清理了前人（如Holden et al. 2009)在模型分析中的缺失和错误(Lou & Lin 2022b)。沿着长束条的方向上可引发Jeans引力不稳定性，形成长短不一的物质段和物质团以及嵌在物质段中的物质块，最终演化形成链状体系（包括星体的、致密天体的、黑洞的、星系的、星系团的）。除小尺度物质系统中的正负电子对球、高能光子球、高能中微子球等，我们特别提出在较大的宇宙学尺度上，由于暗能量抵抗引力，可能形成球状或长柱状的膨胀空穴结构。通过对流体和磁流体Bernoulli关系的深入分析，我们还发现存在若干新的流体和磁流体解对应着新的物理图像，有待开拓。此外，大规模数值编程对束条动力演化的物理过程进行数值模拟中，必须用已知准确解来进行绝对必要的数值编码校准验证，所有非线性解都极为宝贵。尽管柱和球的几何不同可能引起解的结构和性质变化，但这两种几何的解自然有对应性。鉴于物理也做为重要解的类型参考和比对，我们分析了球对称广义多方γ=4/3(对应轴对称的γ=1）的自相似动力学解，可用于恒星形成(Li et al. 2018)、致密天体形成（Shi & Lou 2018）、空穴膨胀和黑洞形成等(Lou & Shen 2019)，也可用做为动力演化型的引力透镜模型。在诸多重要结论中，我们强调两个预言：（1）宇宙中包括早期宇宙在巨大的物质库内完全可以足够快速地形成超大质量黑洞（百万到几十亿太阳质量）和绝超质量黑洞（百亿到万亿太阳质量甚至更大）；（2）强磁化恒星可以规避正负电子对不稳定性并在所谓的“黑洞质量禁区”动力塌缩形成黑洞。中日西藏羊八井宇宙射线合作实验团队主要观测研究不同天体源的TeV到PeV的高能γ光子，推测其可能的宇宙射线物理起因（ASγ团队2019,2021a,b)。