近期，中国科学院上海天文台孔大力研究员在旋转天体内部动力学研究中取得突破性进展，揭示了几何形状对于建立流体的旋转稳定分层模型是至关重要的因素。这一开创性的研究成果既为研究椭球几何中旋转对流不稳定性提供了必要的背景参考态，也对大质量辐射平衡恒星的演化研究有重大的意义。相关研究成果日前已被美国物理学会（APS）的流体力学期刊Physical Review Fluids正式接收（请详见文后论文链接）。 

　　恒星与行星的内部既存在对流区（convective zone），也普遍存在稳定分层（stable stratification），譬如大质量恒星的外部辐射包层、中小质量恒星的中心辐射区、气态行星内部重元素富集核心、类地行星的核幔边界层，以及行星中高层大气等。在这些稳定分层中可能存在较差自转（differential rotation）、子午环流（meridional circulation）、热风（thermal wind）等多种类型的流体运动。这些流动可能进一步产生湍流（turbulence）、化学组分混合（mixing）甚至是磁场发电机过程（dynamo），因此对恒星与行星的能量传递、物质输运和演化路径会产生极为重要的影响。 

　　1924年，von Zeipel首次推导了快速旋转辐射平衡恒星内部保持稳定静态的条件，后被称为von Zeipel定理^[1]。随后，金斯和爱丁顿认为真实的旋转恒星不可能满足该定理，因此恒星辐射区内必须存在流动，后被称为Eddington-Sweet流动^[2]。由于很难清晰解释这种流动的形态及其动力学机制，Öpik称其为von Zeipel佯谬^[3]。1981年，Busse证明了Eddington-Sweet流动并不能在比较长的时标下存在^[4]。自那以后，一系列专家^[5-8]的研究逐渐展示了斜压状态（baroclinic state）是恒星与行星内部稳定分层区域内产生较差自转、子午环流和湍流的原因。20世纪90年代后，这种斜压流动机制被广泛地应用在了恒星和气态行星演化模型的计算中^[9-11]。 

　　中国科学院上海天文台行星物理与磁流体力学课题组孔大力研究员通过理论推导与数值计算深入分析了旋转稳定分层流体内的斜压条件。他发现很多前期的研究为了方便分析，总是忽略旋转离心力的影响，因而近似采用球形形状来描述一颗恒星。在这样的建模方式下，流体内部的斜压性非常显著，可以导致强烈的较差自转、湍流甚至是磁流体发电机机制。“但对于一颗旋转的天体，离心力总会使得它由球形变成一个稍有些扁的椭球，研究结果证明，这其实是一个不可以轻易忽略或近似的条件。”孔大力研究员表示，“如果严格采用与天体自转相自洽的非球形模型，斜压条件就会消失。因此，恒星辐射平衡区域和气态行星重元素核内的流体运动会远远弱于此前的理论预期。”他还指出，这一研究成果意味着现有的恒星演化或气态行星内部动力学理论存在比较重大的缺陷，有待于进一步的理论修正与观测验证。 

[1] E. H. von Zeipel, The radiative equilibrium of a rotating system of gaseous masses, MNRAS 84, 665 (1924). 

[2] P. A. Sweet, The importance of rotation in stellar evolution, MNRAS 110, 548 (1950) 

[3] E. J. Öpik, Rotational currents, MNRAS 111, 278 (1951) 

[4] F. Busse, Do eddington-sweet circulations exist?, GAFD 17, 215 (1981) 

[5] I. W. Roxburgh, On stellar rotataion i. the rotation of upper main-sequence stars, MNRAS 128, 157 (1964) 

[6] J.-L. Tassoul & M. Tassoul, Meridional circulation in rotating stars. i. a boundary layer analysis of mean steady motions in early-type stars, ApJS 49, 317 (1982) 

[7] H. C. Spruit and E. Knobloch, Baroclinic instability in stars, A&A 132, 89 (1984) 

[8] J. P. Zahn, Circulation and turbulence in rotating stars, A&A 265, 115 (1992) 

[9] M. Rieutord, The dynamics of the radiative envelope of rapidly rotating stars i. a spherical boussinesq model, A&A 451, 1025 (2006) 

[10] F. Espinosa Lara and M. Rieutord, Self-consistent 2d models of fast-rotating early-type stars, A&A 552, A35 (2013) 

[11] R. D. Simitev and F. H. Busse, Baroclinially-driven flows and dynamo action in rotating spherical fluid shells, GAFD 111, 369 (2017) 

论文链接： 

孔大力研究员撰写的唯一作者论文“Rapidly-rotating self-gravitating Boussinesq fluid: A non-spherical model of motionless stable stratification”日前已被美国物理学会（APS）的流体力学期刊Physical Review Fluids正式接收，请详见链接：https://journals.aps.org/prfluids/accepted/ba077S05Cfe15e09e1b667d18ff1ecac264a30e49 

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