等离子体天体物理  031M5005H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:谭宝林,王蜀娟,苏江涛,李玉同
授课时间: 星期二, 第5、6、7节
授课地点: 教1-134
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17
授课时间: 星期二, 第5、6、7节
授课地点: 教1-134
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17
课程编号: 031M5005H 课时: 51 学分: 3.0
课程属性: 专业普及课 主讲教师:谭宝林,王蜀娟,苏江涛,李玉同
英文名称: Plasma Astrophysics

教学目的、要求

为天体物理和空间物理等专业的研究生系统了解等离子体天体物理学的基本理论、掌握该学科的基本研究方法、了解学科前沿动态,并为从事天体物理、空间物理、空间天气学等方向的研究提供理论基础。

预修课程

电动力学、统计物理学、普通天文学

教 材

自编教材(参考部分专著,并结合关于本领域国内外的最新研究成果的文献)

主要内容

本课程的授课内容由五部分组成:
第一部分 等离子体天体物理概论及单粒子轨道理论(6学时):谭宝林主讲
第1讲 天体等离子体物理概论(3学时)
教学重点:等离子体概念、德拜屏蔽、Langmuir振荡、集体效应;天体等离子体与实验室等离子体的区别和联系、理解太阳是等离子体物理的天然实验室、等离子体天体物理的前沿问题
教学难点:德拜屏蔽、等离子体的集体行为
第2讲 单粒子轨道理论(3学时)
教学重点:无碰撞等离子体中单粒子的各种漂移运动、磁镜效应、绝热不变量原理、单粒子轨道理论在天体物理中的应用
教学难点:各种漂移运动、绝热不变量原理
第二部分 天体磁流体理论(计划12学时):苏江涛主讲
第3讲 天体磁流体力学基本概念(3学时)
教学重点:MHD方程、磁场演化方程、磁冻结原理、磁通量管原理、无力场概念、磁流体静力学原理、磁流体不稳定性、磁对流、发电机模型、天体爆发过程中的磁流体现象
教学难点:磁场演化方程在两种特殊情形下的解、磁冻结原理和磁扩散原理、磁流体不稳定性模式、利用磁流体力学有关原理分析天体物理各种现象
第4讲 天体磁流体力学波(3学时)
教学重点:天体等离子体中的声波、磁声波和阿尔芬波的传播规律、磁流体激波的基本特征
教学难点:波动过程的微扰化分析方法、磁流体激波的连续性条件
第5讲 天体磁流体不稳定性(3学时)
教学重点:磁流体不稳定性概念、腊肠模不稳定性、扭曲模不稳定性
教学难点:不稳定性的本征模分析方法
第6讲 磁场重联理论(3学时)
教学重点:磁重联基本过程、电流片的形成、稳态磁重联、快速磁重联
教学难点:磁重联过程中的能量分析
第三部分 天体等离子体的动理论及辐射理论(计划12学时):谭宝林主讲
第7讲 等离子体动理论(4学时)
教学重点:天体等离子体中的近碰撞与远碰撞、动理论一般方程及不同碰撞模型对碰撞项的处理、输运过程、磁化等离子体的振荡、Langmuir波、离子声波和离子静电波、高混杂低混杂波、高频电磁波、哨声波等
教学难点:Boltzmann方程、Laudau方程、Fokker-Planck方程和Vlasov方程分别对碰撞项的处理方法和适用范围、各种波动过程的色散关系分析
第8讲 天体等离子体中的辐射与转移方程(4学时)
教学重点:天体等离子体辐射转移方程、辐射在各向异性等离子体中的传播、截止与共振、CMA图
教学难点:辐射转移方程的推导
第9讲 天体等离子体中的辐射机制(4学时)
教学重点:辐射传播理论、辐射转移方程、韧致辐射、回旋加速辐射、回旋同步辐射、同步加速辐射基本原理、偏振特性、天体相干辐射的基本特征、电子回旋脉泽辐射基本原理、等离子体辐射基本原理、脉冲星辐射过程
教学难点:辐射亮温度、Razin-Tsytovich抑制效应、波-粒共振条件、回旋脉泽辐射的共振条件、等离子体辐射中的三波相互作用过程
第四部分 天体等离子体中的粒子加速(计划9学时):王蜀娟主讲
第10讲  粒子加速机制的基础理论;激波波阵面运动学(3学时)
        教学重点:两个基本输运方程,描述激波的各种参照系。
教学难点:刘维定理的物理意义;无散射输运方程和投射角散射输运方程所描述的不同物理过程;描述激波波阵面的各种参照系的特征和性质;超光速激波波阵面与亚光速激波波阵面的定义。
第11讲  激波加速机制(3学时)
            教学重点:漂移加速的粒子轨道运动过程;绝热膨胀过程中的漂移加速;非相对论激波、相对论激波中的漂移加速过程。扩散近似;平行激波波阵面处粒子的加速;扩散加速的微观图像;非相对论激波、相对论激波中的扩散加速过程。
教学难点:在超光速激波波阵面处的漂移加速中,组成粒子轨道运动的各种分过程;粒子的空间全角度输运方程;在非相对论激波与相对论激波中,漂移加速过程的异同。激波附近的无散射带;扩散近似的概念;平行激波波阵面上的扩散加速过程;用扩散加速微观图像,估算粒子的平均能量增益、逃逸率、高能粒子的幂律谱分布等的方法。
第12讲  宇宙射线物理(3学时)
          教学重点:宇宙射线的谱;超新星爆发的过程;扩散加速的时变性;洋葱壳层模型;双流体模型;与喷流与活动星系核相关的三类非热粒子;喷流中的热斑;活动星系核的能量损失及其对宇宙射线的贡献;超新星的射电辐射,超新星1987A。
教学难点:宇宙射线幂律谱的硬与软、平坦与陡峭,反映出其能态的高与低;超新星爆发所经历的三个主要阶段,及其相应的宇宙射线加速的主要过程;宇宙射线加速的洋葱壳层模型。喷流、活动星系核和射电超新星中的非热高能粒子的产生机制。
第五部分 天体等离子体物理实验室模拟(计划9学时):李玉同主讲
第13讲  强激光实验及对磁场重联过程的模拟原理(3学时)
教学重点:在实验室中利用高功率激光开展天体物理爆发现象的模拟原理、实验方法、及研究现状。
第14讲  强激光实验及对天体物理粒子加速过程的模拟原理(3学时)
教学重点:在实验室中利用高功率激光研究天体等离子体条件下的粒子加速机制、能量释放过程、以及相关诊断手段等。
第15讲  强激光实验平台参观及数据处理(3学时)
教学重点:了解实验室环境、实验设备的构成、操作方法、实验流程、实验方案的设计、实验数据的处理等
教学难点:实验方案设计、数据处理

参考文献

主要参考书目:
(1)Plasma Astrophysics, Kirk, Melrose and Priest编著, Springer出版社1994年出版
(2)宇宙电动力学导论,许敖敖,唐玉华编著,高等教育出版社1987年出版
(3)The Plasma Physics, Boyd & Sanderson 编著,Cambridge出版社2003年出版
(4)Magnetohydrodynamics of the Sun, E. Priest编著,Cambridge出版社2014年出版