Ia型超新星爆炸中燃烧学过程的理论研究

The death of main sequence stars around one solar mass can ignite type Ia supernova explosions, which have the same intrinsic brightness. These type Ia supernovae, considered as `standard candles', can be used to measure the curvature and expansion of the cosmos. This research attracts a lot of attention from both the scientific society and the public, with the 2011 Noble Prize in Physics awarded to works in this topic as a consequence. The problem is that the combustion processes in type Ia supernova burst are not well understood, which is a potential uncertainty in modern cosmology. In this project we propose to investigate the combustion law in type Ia supernova explosions based on the first principle reactive hydrodynamic theory, in order to set up a proper combustion model for these supernova explosions. The proposed research includes Rayleigh-Taylor and Darrieus-Landau instabilities and the induced turbulent flow field, flame propagation and evolution in the specific turbulent fluid, formation of shock waves and the physical mechanism of deflagration to detonation transitions. This project will focus on the investigation of the combustion theory itself, and will be destined to reveal the intrinsic physical processes in supernova explosions. The content of this project will advance the combustion theory to extreme physical conditions and the practice of this project will open a new field for the combustion research in China.

一个太阳质量附近的主序恒星在濒临死亡时可能发生Ia型超新星爆炸。Ia型超新星具有同样大小的光度，可以作为"标准烛光"用来测量宇宙曲率和宇宙膨胀速度，是现代宇宙学的观测基础。上述前沿研究广泛受到科学界和大众的关注，2011年诺贝尔物理学奖即授予了此方面的工作。然而人们对于超新星爆炸的燃烧过程至今没有全面而深入的了解，这成为了现代宇宙学发展中的不确定因素。本项目拟通过基本燃烧学理论的研究来揭示Ia型超新星爆炸过程中的燃烧学规律，进而建立合理的超新星爆炸燃烧学模型。研究内容包括Rayleigh-Taylor和Darrieus-Landau不稳定性所产生的湍流场性质，特定湍流场中的火焰传播与演化规律，以及激波面的形成与爆燃-爆轰转变的物理机制。本项目侧重于对燃烧理论本身的探讨，尝试揭示超新星爆炸的本质物理过程，研究内容将发展极端物理条件下的燃烧理论，为国内燃烧学的发展开拓新的领域。

本项目研究计划按解析分析，数值模拟和与天文观测对比三个阶段建立超新星爆炸的燃烧学模型。项目关键科学问题是爆燃-爆轰转化的机制。执行过程中，第一部分的研究主要通过解析分析的办法，建立大Lewis数火焰结构和传播理论，考查超新星燃烧的热-扩散振荡不稳定性、相对论Darrieus-Landau 不稳定性，考查湍流二级火焰的爆轰波起爆条件。第二部分则对火焰的热-振荡不稳定传播，爆燃-爆轰转换中粘滞力的影响，以及爆轰波本身的振荡和胞格结构的耦合现象进行了数值模拟。与天文观测的对比部分主要进行了交流准备工作，具体科研工作将后续进行。.. 项目的主要结果是提出了两种可能的爆燃-爆轰转化机制：（1）火焰面的热-扩散不稳定振荡在脉冲传播阶段可能产生爆轰波，曲率的影响则可能使得爆燃-爆轰转换更容易发生；（2）超新星中跟随碳-碳火焰传播的氧-氧二级火焰，在存在湍流和负曲率的情况下可能引发爆轰波。此外还有燃烧不稳定性，含磁场燃烧波、相对论燃烧波等若干其他探索性工作，为进一步提出具体的爆燃-爆轰转化过程和进行超新星全燃烧过程数值模拟奠定了基础。.. 相关研究工作已发表3篇国际期刊文章，另有3篇文章正在审稿中；项目组成员参加了5人次国内会议和4人次国际会议进行交流；部分结果以及后续工作仍在整理撰写文章准备投稿。项目的执行有1位博士后参加，1名博士生参加，3名本科生参加，此外还吸引了1名国外博士后，1名国外研究生和1名国外本科生参与研究。通过国际交流与相关的燃烧学、流体力学和天文学专家建立了合作关系。上述人力资源也是项目进一步深入进行的基础。.. 本项目执行过程中更加明确了其应用对象是超新星爆炸这个重要天文现象，而科学问题则是燃烧学问题；项目的进展也推动了燃烧理论的发展和燃烧学学科的扩展。这个探索性交叉学科研究能够进行并发展，基金委的支持是基础，在此表示诚挚感谢。

内容获取失败，请点击重试