天体吸积盘实验室模拟的初步研究

Accretion disks are ubiquitous in astrophysics. The disk material is in orbital motion around a massive central body, which is typically a protostar, a white dwarf, a neutron star, or a black hole. A common puzzle across all these systems is why the accretion occurs faster than the prediction of classical viscosity theory by many orders of magnitudes. Meanwhile, the various explanations of quasi-periodic oscillations (QPOs) of X-ray light from an accreting compact object remain controversial. This project is targeted at modeling and studing some of the properties of accretion disks with Taylor-Couette Flows in Laboratory. The main contents are as follows: (1) the repetition and verification of the hydrodynamic experiments on the angular momentum transport in quasi-Keplerian disks; (2) the comparison between the astrophysical QPOs and the fundamental frequencies of the quasi-periodic or turbulent Taylor-Couette flows, and the exploration of their inherent similarities.

吸积盘广泛存在于原恒星、白矮星、中子星和黑洞等天体系统中。根据观测数据推断出的各类系统中的吸积盘角动量的转移效率，远高于经典粘滞理论的预言。此外，致密星吸积产生的准周期震荡的起因也是困扰天文学家多年的难题。 因此本项目建议搭建以Taylor-Couette装置为主体的小型天体物理实验平台做吸积盘的实验室模拟的初步研究, 从而对以上两个天体物理前沿课题进行有价值的探索。.作为启动性实验项目，本项目主要研究以下两个方面内容：(1) 重复与验证准开普勒吸积盘的角动量转移的流体实验；(2) 比较研究致密天体吸积盘X射线辐射的准周期震荡与Taylor-Couette装置中湍动流体的基频特征。

吸积盘是天体物理中的重要研究对象。本项目建议搭建以Taylor-Couette 装置为主体的小型天体物理实验平台做吸积盘的实验室模拟的初步研究，从而对以上两个天体物理前沿课题进行有价值的探索。本项目主要研究以下两个方面内容：（1）重复与验证准开普勒吸积盘的角动量转移的流体实验；（2）比较研究致密天体吸积盘X射线辐射的准周期震荡与Taylor-Couette装置中湍动流体的基频特征。. 该Taylor-Couette装置转速高、动力系统结构复杂，设计难度远高于预期，同时由于疫情影响，项目进度较预期缓慢，目前主要完成了最为困难的装置设计部分，即将开始加工制造。. 另外，在项目支持下开发出 TC 筒与吸积盘流体模拟的科普教育的虚拟仿真实验平台。在球状星团核心区域脉冲星加速度的计时特征、利用脉冲星计时对球状星团结构参数以及可能存在与核区中央的黑洞的质量进行了测量。