上海天文台发现旋转天体内部热对流不稳定性的最后一类动力学对称性

• 2023-04-27 15:43:12 来源：上海天文台

(资料图片仅供参考)

近期，中国科学院上海天文台通过理论推导，剖析了处于旋转自引力平衡椭球天体中的热不稳定性问题，发现了一类全新的轴对称振荡模式（关于赤道面南北对称的）。这种旋转对称性与南北对称性的组合是旋转热对流研究领域最后一类动力学对称性，此前从未被发现。相关研究成果以Letter的形式，发表在《物理评论-流体》（Physical Review Fluids）上。　　热对流运动是天体内部普遍存在的动力学现象，对能量传递、物质输运、磁场产生和演化路径具有支配性的作用。20世纪60年代以来，学界认为，在旋转球形或球壳模型中，物理上最先触发对流不稳定性的模式总是非轴对称且关于赤道面南北对称的；2008年Garcia等首次发现一类非轴对称但关于赤道面南北反对称的线性对流模式；2021年Sanchez等首次发现一类罕见的轴对称且关于赤道面南北反对称的振荡对流模。　　在快速旋转非球形对流分析理论的基础上，上海天文台行星物理与磁流体力学课题组研究员孔大力指导联合培养博士研究生李文博，发现了轴对称且同时具有关于赤道面南北反对称的振荡对流，并得出了封闭形式的解析解。　　“至此，轴对称性与南北对称性的四类可能组合都成为旋转天体内部热不稳定性的可能形态。”孔大力表示，“这一对称性也是钱德拉塞卡在1961年最初希望寻找而未能得到的”。他还提出，这一发现对行星与恒星热演化、磁场发电机动力学等问题可能产生的影响都将在后续研究中深入探讨。　　研究工作得到国家自然科学基金面上项目和中科院战略性先导科技专项（B类）等的支持。　　论文链接以埃克曼数E=0.0001、普朗特数Pr=0.005时、弗罗德数Fr=0.33的参数情况为例，全局渐进理论预期快速旋转椭球流体内线性热不稳定性模式是轴对称且关于赤道面南北对称的。上图展示了子午面纬向环流速度的振荡；下图是亚表面纬向环流随时间演化的蝴蝶图（butterfly diagram）。

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