MHD Flows in Compact Astrophysical Objects: Accretion, Winds and Jets

جریان های برافزایشی، بادها و جت های اجرام و ستارگان فشرده اخترفیزیکی به طور کلی در چارچوب جریان های هیدرودینامیکی و مغناطیسی هیدرودینامیکی (MHD) توصیف می شوند. تجزیه و تحلیل تحلیلی مسئله بینش فیزیکی عمیقی را ارائه می دهد که برای تفسیر و درک نتایج شبیه سازی های عددی ضروری است. ارائه چنین درک فیزیکی از جریان های MHD در اجسام فشرده اخترفیزیکی هدف اصلی این کتاب است که ترجمه ای به روز از یک کتاب درسی موفق فارغ التحصیل روسی است. این کتاب اولین مقدمه مفصلی را در مورد روش معادله Grad-Shafranov ارائه می‌کند که به صورت تحلیلی کلاس بسیار گسترده‌ای از جریان‌های هیدرودینامیکی و MHD را توصیف می‌کند. با مثال‌های کلاسیک برافزایش هیدرودینامیکی بر روی اجسام نسبیتی و غیرنسبیتی شروع می‌شود. محدودیت بدون نیرو معادله Grad-Shafranov به ما امکان می دهد تا فیزیک مغناطیس کره های تپ اخترهای رادیویی و سیاهچاله ها را به تفصیل تجزیه و تحلیل کنیم، از جمله فرآیند استخراج انرژی Blandford-Znajek از یک سیاهچاله در حال چرخش غوطه ور در یک میدان مغناطیسی خارجی. در نهایت، بر اساس نسخه کامل MHD معادله گراد-شافرانوف، نویسنده مشکلات تقارن جت و شتاب ذرات در هسته‌های فعال کهکشانی، تپ‌اخترهای رادیویی و اجرام ستاره‌ای جوان را مورد بحث قرار می‌دهد. مقایسه نتایج تحلیلی با شبیه‌سازی‌های عددی همخوانی خوب آنها را نشان می‌دهد. با فرض آشنایی خواننده با مفاهیم اولیه فیزیکی و ریاضی نسبیت عام، نویسنده از رویکرد تقسیم 3+1 استفاده می کند که امکان فرمول بندی همه نتایج را از نظر زبان فیزیکی واضح بردارهای سه بعدی فراهم می کند. این کتاب شامل مشتقات دقیق معادلات، تمرین های متعدد و کتابشناسی گسترده است. بنابراین هم به عنوان یک متن مقدماتی برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی و هم به عنوان یک اثر مرجع ارزشمند برای محققان در این زمینه عمل می کند.

Accretion flows, winds and jets of compact astrophysical objects and stars are generally described within the framework of hydrodynamical and magnetohydrodynamical (MHD) flows. Analytical analysis of the problem provides profound physical insights, which are essential for interpreting and understanding the results of numerical simulations. Providing such a physical understanding of MHD Flows in Compact Astrophysical Objects is the main goal of this book, which is an updated translation of a successful Russian graduate textbook. The book provides the first detailed introduction into the method of the Grad-Shafranov equation, describing analytically the very broad class of hydrodynamical and MHD flows. It starts with the classical examples of hydrodynamical accretion onto relativistic and nonrelativistic objects. The force-free limit of the Grad-Shafranov equation allows us to analyze in detail the physics of the magnetospheres of radio pulsars and black holes, including the Blandford-Znajek process of energy extraction from a rotating black hole immersed in an external magnetic field. Finally, on the basis of the full MHD version of the Grad-Shafranov equation the author discusses the problems of jet collimation and particle acceleration in Active Galactic Nuclei, radio pulsars, and Young Stellar Objects. The comparison of the analytical results with numerical simulations demonstrates their good agreement. Assuming that the reader is familiar with the basic physical and mathematical concepts of General Relativity, the author uses the 3+1 split approach which allows the formulation of all results in terms of physically clear language of three dimensional vectors. The book contains detailed derivations of equations, numerous exercises, and an extensive bibliography. It therefore serves as both an introductory text for graduate students and a valuable reference work for researchers in the field.