自生磁场、湍动加速及其在天体物理中的应用

随着天文观测技术的进步、先进设备的使用和多个巡天计划的成功实施，大量精细观测结果已经不能通过一般天体物理的高阶描述给出合理的解释。结合等离子体物理理论和磁流体力学来解释目前的天文观测，是当今天体物理研究的热点之一。本项目基于已有的研究基础，进一步完善现代等离子体物理中的自生磁场、湍动加速和磁重联等理论，利用国内中科院、其他相关单位和国际上的大样本、高精度观测资料，将研究结果作为一种方法和手段应用到天体物理学的研究中，使得研究不仅局限于太阳/太阳系，而且扩展到星系（银河系）层次，对多个层次的天体及其物理过程进行更为细致的描述。理论和应用相辅相成，相互反馈，对两学科交叉领域的等离子体天物理理论体系加以丰富和发展。

结合等离子体物理理论和磁流体力学来解释目前的天文观测，是当今天体物理研究的热点之一。本项目围绕现代天体物理中的小尺度磁场、湍动加速、引力与天体精细结构、吸积盘的反常黏滞等前沿问题，从观测、理论分析和数值计算多角度开展科学研究，取得如下研究成果：（1）研究了有限远截断面上的引力/流体对应并分析了对偶流体的体积粘滞性质，发现在合适的边界条件下可以得到非零的体积粘滞系数；研究了全息电荷密度波的线性响应行为，观察到电荷密度波所具有的两个基本特征，在理论上为实现和研究金属-绝缘体相变提供了一种新的机制；（2）对太阳进行了高分辨率观测，发现太阳上千高斯磁流管的产生和消失过程，这一发现有助于解决“日冕加热问题”；对耀斑磁环运动的精细观测表明耀斑上升期的磁场能量释放过程发生在扭缠磁场内部的重联；发现米粒尺度上的卫星极性磁场浮现触发了米粒间的磁场重联，引起了高温和低温物质的喷流，说明太阳上的微小喷流事件与小尺度强磁场的形成相关；（3）通过粒子模拟研究了超强激光与等离子体相互作用，获得了粒子有效加速时激光和等离子体的参数，为开展天体环境中的粒子加速研究奠定了基础；（4）研究了非麦氏分布等离子体中波的线性色散以及非线性的朗缪尔湍动和小尺度自生磁场：由于非广延参数和Kappa非热指数的可调性，修正的Zakharov方程可能为解释湍动的不可重复性提供一种新的物理机制；发现初始均匀的磁扰动是调制不稳定的，这种不稳定性将受到非广延参数和Kappa非热指数的修正，改变坍塌形成的小尺度磁场的性质；（5）在致密天体的轨道动力学与引力波方面，指出拉格朗日和哈密顿两种表述在广义相对论后牛顿力学不等价；发现同阶后牛顿拉格朗日和哈密顿之间转换过程中的高阶后牛顿项截断才是二者存在动力学差异的根源，以及一个后牛顿拉格朗日形式总存在一个可能不同阶的哈密顿与之等价；（6）利用强磁流元之间以及磁流元与周围介质之间的相互作用引起的反常粘滞模型，研究了年轻恒星周围磁化薄吸积盘以及原恒星盘的结构与不稳定性，得到与观测更为吻合的温度分布和更接近真实的盘结构。理论、观测、数值计算和应用相辅相成，丰富和发展了两学科交叉领域的等离子体天体物理理论体系。