彗星状致密HⅡ区的模型及其谱线研究

摘要

在前人构建的彗星状HⅡ区演化过程模型的基础上，进一步发展了一个完全的数值方法模型来研究彗星状HⅡ区的动力学演化。我们的数值模型同时兼顾了弓形激波模型(bow shock models)和香槟流模型(champagne flowmodels)，并对两种模型做了对比研究。在文章中我们在研究HⅡ区电离气体运动状态的同时，也对PDR区域做了同样的研究。在模型中除了计算流体力学方法的应用之外，我们也计算了电离气体的加热制冷过程，中性气体在恒星辐射下化学成分的变化以及中性区域的加热制冷过程。这使得我们的模型能够同时给出HⅡ区及其PDR区域演化过程的可靠模拟。HⅡ区中电离气体所发出的[NeⅡ]12.81μm精细结构线、H30α复合线与[NeⅢ]15.55μm线和PDR区内中性气体所发的H2分子转动能级J=4→2线的谱线轮廓都在文中做了详细的分析，同时我们比较了两种模型中HⅡ区与PDR区内所发射的谱线轮廓的异同。分析显示两种模型在比较中展示了多处的不同，以至于可以通过这些不同来区分香槟流模型与弓形激波模型。在香槟流模型中，不同元素的电离波前与解离波前都会不停地向外传播，但是会在某一个时刻被激波超过而掉入因HⅡ区扩张挤压周围中性气体而形成的高密度壳层中。电离区域所贡献的辐射线清楚地反映了由于压强梯度造成的方向指向HⅡ区尾部的加速度对电离气体的影响。在壳层中的分子气体的运动则主要由HⅡ区的膨胀决定。然而，在弓形激波模型中，在一段时间以后，HⅡ区与PDR区的大小并不随时间变化。电离气体的主体运动方向与恒星移动方向相同。在HⅡ区里电离气体也受到压强梯度所造成的指向尾部的加速度的影响，然而这种影响要弱于香槟流模型中。在壳层中的分子气体的运动主要反映壳层中气体随恒星的运动。在轴向速度上，由拱顶处与恒星同速到尾部速度逐渐接近0 km s-1。另外，在两个模型中，处于激波以外的分子气体的运动状态受大质量恒星的影响由于比较小，无法清晰地反应在谱线信息中。文章结构写在下面:
　　在第一章中，介绍了彗星状HⅡ区模型的发展过程，分别讲述了香槟流模型和弓形激波模型的理论原理与发展过程。除了模型的发展之外，文中也说明了与彗星状HⅡ区演化有关的不稳定性，包括瑞利泰勒不稳定性、薄壳层不稳定性和遮蔽不稳定性。
　　在第二章中，主要介绍我们在制作彗星状HⅡ区模型时所使用的方法。在流体力学方程的处理中，我们采用计算流体力学中的欧拉方法以柱坐标下固定的二维网格来进行实际的计算模拟。接着描述了为实现对HⅡ区演化的稳定可靠模拟计算而应用的两种格式方法，一种是有限差分格式中的NND-1格式，另外一种是有限体积方法中的HLLC黎曼解格式。前者在处理HⅡ区内高温恒星风气泡时可能会出现负温度的现象，后者有一些受网格线方向的影响，经试验将两种格式交替使用能够同时解决前述两种问题。同样，这一章中彗星状HⅡ区及其周围PDR部分的辐射转移与加热制冷机制的模拟计算方法也做了说明。首先介绍了与氢原子气体电离复合有关的知识，之后介绍了在HⅡ区内电离气体加热制冷过程在模型中的计算方法。在HⅡ区内加热主要靠电离光子在电离氢原子过程中对自由电子热动能的贡献，冷却则包括了氢离子复合与各种金属线的过程。在讲述PDR区的部分中，先介绍了和H、C、O、Si和Fe元素有关的离子、原子和分子之间化学反应的计算方法。之后说明了中性区域内的加热过程，包括尘埃颗粒光致电离、H2分子的解离和复合、宇宙线的辐射。中性区域的制冷过程包括各类金属元素的精细结构线如[O I]63μm、[O I]146μm、[CⅡ]158μm、[FeⅡ]26μm、[FeⅡ]35μm和[SiⅡ]35μm，也包括分子转振动能级碰撞激发以及和尘埃有关的冷却过程。在PDR区域冷却过程的最后介绍了光深对金属元素精细结构线的影响。在第二章的最后一节，我们介绍了通过彗星状HⅡ区演化的流体力学模型所得出的结果来计算谱线轮廓的方法，包括[NeⅡ]12.81μm、 H30α、[NeⅢ]15.55μm以及H25(2)线的谱线轮廓计算方法。
　　第三章中，我们给出了不同参数条件下的香槟流模型和弓形激波模型的计算结果。我们先对电离气体所发射的[NeⅡ]12.81μm、 H30α和[NeⅢ]15.55μm线作了研究。我们不仅在香槟流模型与弓形激波模型之间作了比较，也对模型中的不同参数对谱线的影响作了研究。之后，我们也对PDR区域内所发射的H2S(2)线的谱线作了研究，并且给出了以上四种射线的位置-速度图。本章内对模型和谱线研究的具体结果已在摘要第一段中给出。
　　在第四章对文章的结果作了总结。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 香槟流和弓形激波模型的发展

1．2．1 早期香槟流模型介绍

1．2．2 早期弓形激波模型的介绍

1．2．3 香槟流模型和弓形激波模型的比较

1．2．4 三维磁流体力学方法下香槟流模型的应用

1．3 不稳定性

1．4 结论与展望

第二章 模型构建方法

2．1 流体力学方程的处理

2．1．1 NND-1有限差分格式

2．1．2 HLLC黎曼解

2．2 辐射转移和加热制冷机制

2．2．1 HⅡ区内的辐射转移和加热制冷机制

2．2．2 PDR部分的化学反应过程

2．2．3 PDR区内气体的加热过程

2．2．4 PDR区内气体的冷却过程

2．3 谱线轮廓的计算方法

第三章 彗星状HⅡ区及其周围PDR区演化的模拟结果

3．1 测试模型

3．2 基础模型及其所得谱线

3．2．1 弓形激渡模型A

3．2．2 香槟流模型B

3．2．3 香槟流模型与弓形激波模型的比较

3．2．4 香槟流中的密度梯度

3．2．5 弓形激波中的恒星运动速度

3．2．6 恒星的质量

3．2．7 透过狭缝接收到的谱线轮廓

3．2．8 流量加权中心速度

3．3 修正模型及其谱线信息

3．3．1 HⅡ区与PDR区的演化

3．3．2 弓形激波模型

3．3．3 香槟流模型

第四章 结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果