致密天体等离子体中线性波传播特性的研究

It is well known that the mechanism of astrophysical phenomena and process is related to the fluctuation and instability in plasmas, based on which we will establish theoretical models of dense astrophysical plasmas in the framework of relativistic quantum mechanics, and study the propagation of linear waves in relativistic degenerate plasma. The contributions of relativistic effects, Femi degeneracy pressure, Bohm potential and spin effects to the basic physical processes of dense astrophysical plasmas will be discussed. We aim to reveal the relativistic quantum properties of dense astrophysical plasmas and make clear the real physical environment in which relativistic quantum plasmas exists. This is a frontier project in plasma physics, which provides an effective improvement in quantum plasma field. This project also has a certain theoretical significance to the study of dense bodies, such as white dwarf, pulsars and magnetars.

基于“天体物理现象和过程的机制与等离子体中的波动和不稳定性有关”的出发点，本项目拟在相对论量子力学框架下建立描述致密天体等离子体的动理学和磁流体动力学模型，通过研究线性波在其中的传播特性来考察相对论效应、简并压力、Bohm势以及自旋效应对致密天体等离子体基本物理过程的影响，揭示致密天体等离子体的相对论量子物理本质，明确相对论量子等离子体存在的真实物理环境。本项目是等离子体物理领域一项前沿性的研究工作，是对现阶段量子等离子体研究的有效完善，对研究白矮星、脉冲星、磁星等致密天体有一定的理论指导意义。

致密天体等离子体中包含着由低温、高密度条件引起的Fermi简并压力和Bohm势，以及强场条件诱导的自旋效应、QED真空极化效应和相对论效应，这些效应的存在必然改变等离子体的经典动力学行为，影响致密天体等离子体的基本物理过程。基于上述考虑，本项目围绕线性波在致密天体等离子体中的传播特性开展了以下研究：（1）首先从协变Wigner函数和Dirac方程出发，在忽略自旋效应的情况下得到了包含Bohm势和Fermi简并压力修正项的相对论量子动理学模型；然后对动理学模型取动量矩得到相对论量子磁流体动力学模型，联立Maxwell方程组，得到了相对论量子等离子体的色散方程。最后，分无外磁场、外磁场平行于波矢量、外磁场垂直于波矢量三种情况求解色散方程，得到了电磁波、电子等离子体波、左右旋波、寻常波、非寻常波、上杂化波的色散关系。（2）从包含Bohm势、Fermi简并压力以及自旋力的磁流体动理学模型和包含自旋流修正的Maxwell方程出发，得到了相对论自旋量子等离子体的色散方程。最后，分无外磁场、外磁场平行于波矢量、外磁场垂直于波矢量三种情况求解色散方程，得到了电磁波、电子等离子体波、左右旋波、寻常波、非寻常波、上杂化波的色散关系。（3）从包含Bohm势、Fermi简并压力和自旋力的磁流体动力学模型和包含自旋流、真空极化流修正的Maxwell方程出发，得到了上杂化波和非寻常波的色散关系。（4）利用Gordon有效度规理论研究超强磁场诱导的QED真空极化效应和磁化等离子体层的动力学效应所引起的脉冲星表面电磁辐射的非引力频移。. 本项目揭示了致密天体等离子体的相对论量子物理本质；明确相对论简并等离子体存在的真实物理环境。本项目是等离子体物理领域一项前沿性的工作，是对现阶段量子等离子体理论研究的有效完善，对研究白矮星、脉冲星、磁星等致密天体有一定的理论指导意义。