超音速引力球的流态形态

在行星吞没、恒星相互作用以及原行星盘内，恒星与行星会在气态介质中以超音速运动。对于近乎均匀的介质，相关参数为马赫数以及天体尺寸 $R$ 相对于其吸积半径 $R_A$ 的大小。数十年来，数值与解析工作已刻画了流场、天体所受阻力以及可能出现的一系列不稳定性。仅有少量工作将恒星边界视为许多此类天体物理场景中的硬球（位于 $R$ 处），正如实际情况那样。因此我们给出了大参数范围内新的三维 Athena++ 流体动力学计算。当 $R_A\ll R$ 时，结果符合纯流体力学预期，引力影响极小，我们通过与空气中风洞实验数据对比验证了这一点。当 $R_A\approx R$ 时，引力天体后方形成流体静力支撑的分离泡，对球体施加显著压力并驱动再压缩激波，该激波与弓形激波相交。当 $R_A\gg R$ 时，如早期工作所见，分离泡转变为等熵、球对称的晕。这两种截然不同的流态形态可依据其激波脱体距离与阻力系数分别处理。对天体物理应用最为重要的是，我们提出了一种依赖于激波脱体距离与 $R_A$ 之比的动力学摩擦新公式。该探索还揭示了准确捕捉引力所致来流流线偏转所需的模拟域最小尺寸。