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AVS在恒星演化研究上的应用

李 谨

一．恒星的演化过程

恒星的演化过程是一个非常复杂的过程，其中聚变反应起着关键的作用，扮演着重要的角色。

根据现代宇宙学理论，恒星是由宇宙早期的星云物质（绝大部分是氢的极其稀薄的气体）因自身引力作用而收缩形成的，其中心进行的氢聚变为氦的热核反应为恒星提供了光和热，当这种反应产生的辐射压力与引力平衡时，恒星将在相当长的时间内稳定燃烧；当恒星核心部分的氢全部聚变为氦以后，产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩，收缩产生的热将使温度再次升高，达到引发氦燃烧的程度，结果是将３个氦核聚合成１个碳核；氦用完后，质量小于太阳十倍的恒星的核将再度坍缩，根据泡利不相容原理，恒星将坍缩成为一颗半径为几千英里，密度为每立方英寸几百吨的白矮星。如果恒星的质量超过太阳的十倍以上，在经历氦燃烧的阶段后，由于它的星核质量大，所以它的温度和压力也更大，因此将转入又一轮的聚变反应中：由碳聚变成氖和镁，然后又是硅和硫，最终硅成为铁。恒星一层层地进行着热核反应，直至核心温度达到约摄氏二十八亿度，硅聚变成最终产物铁，由于不可能再燃烧生成更重的元素，所以恒星中心很快发生坍缩，在几秒钟内体积缩小一百倍。这时电子和中子被压缩得非常紧密，以致相互结合形成中子和中微子，同时，恒星的外层因失去了支撑而快速向内塌落，高速撞击到中央的核上，并转换成巨大的动能以冲击波的形式向外传播，把恒星内的致密物质抛出。这就是超新星爆发。超新星爆发后将遗留下来的星云称为“超新星遗迹”；剩余的那个已经死亡的恒星核根据质量的大小或者成为一颗中子星，或者成为一个黑洞。

二．AVS用于星体爆炸过程模拟

为了便于模拟计算，我们建立了一个一维的理论模型，来模拟恒星的演化过程。我们将星体从外层到内核根据温度和物质性质的不同划分为数个特征层，这里，需要计算的就是各个特征层在不同时间段的状态变化情况。

我们知道，星体的演化是从轻核聚变反应中获取能量的。典型的聚变反应，如：

一般来说，每公斤纯氘完全燃烧释放出的能量相当于8.30万吨TNT的当量。轻核聚变反应是一个链式过程，只要温度、压力和能量满足要求，它将一层一层不停的反应下去，直至能量不足以支持聚变反应的进行。而聚变反应产生的能量一部分支持了星体内部的自身演化，另一部分则以冲击波、光辐射等多种形式向外散发消耗了。

我们根据各种形式能量消耗占燃烧释放能量的比例公式，利用热核聚变原理、质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程、能量守恒方程、高温高压下物质的状态方程以及必要的热力学关系式构成一个完整的方程组，将该方程组离散化成差分方程，并利用Fortran语言编制出模拟计算程序进行计算。这样计算得出的结果是不同时刻各特征层的状态，包括各特征层的位置、能量、温度、压强等，而将这些数据综合起来就是星体演化过程中各特征层运动变化情况和能量、温度、压强的变化情况，以及其它的一些特征量。用程序计算得出的结果是大量的数据，读起来非常麻烦，而且还不利于理解，更不利于掌握星体演化的整个过程，形象性比较差。同时，进行数据的比较和分析也不容易。

我们应用AVS/Express将程序计算得出的一维数据处理成为二维数据，并进行可视化处理，利用色彩的变化来表现特征参数随时间、空间变化的变化，同时，还将二维数据处理成为AVI动画，把漫长的时间过程集成到一段短暂的时间内，使计算结果形象、直观，易于理解，而且对于掌握、理解、分析恒星整个演化过程中的各种状态变化也起到了很好的效果。

三、AVS应用实例

这是星体坍缩过程中某一瞬间的AVI图。在此瞬间，星体核心部分的氢已经燃烧聚变完毕，恒星的内部压力下降，星核在自身引力的作用下向中心坍缩，同时，外层物质也由于引力作用向星核聚集。此时，色彩表征了从几千万度到几亿度的高温。

这是恒星在收缩结束后，超新星爆发过程中某一瞬间的AVI图。在这个瞬间，恒星的热核聚变反应已经结束，其中心迅速坍缩，体积在几秒钟内缩小一百倍。同时，外层物质由于失去支撑也迅速向内塌落，以极高的速度撞击到星核上。这时，巨大的动能以冲击波的形式向外传播，把恒星内的致密物质抛出。最后，恒星变冷并死亡。这里，色彩表征了从几百万度到二十多亿度的高温。

四、AVS/Express的优点

在我们的模拟计算过程中，应用AVS是我们的一个比较理想的选择。它在处理海量数据方面的特长，使我们的工作不再枯燥而繁琐，而是变得轻松、容易起来。

1、AVS的开发环境大大缩短了编程的时间，提高了工作效率。它更注重于专业的研究，而不是编程的过程。

2、对二、三维数据的可视化，使数据的理解、分析更加容易，简捷。

3、对海量数据的处理功能，使得海量数据变得形象、直观，非常有利于掌握、分析以及使用数据。

我们将继续使用AVS，把目前的二维显示提高到三维领域中。这需要我们对程序的编制和AVS的使用进行进一步的改进和提高。

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