每次打车回天文台，司机都会忍不住问:“你在天文台看星星吗？”或者“你从事天气预报吗？”

什么事？

“师父，天文台不做天气预报，也不只是看星星。”

“那你是做什么的？”

“就研究目标而言，有人研究星系，有人研究恒星，还有人专门分析太阳...在研究方法上，有人主要做理论推导，有人做计算机数值模拟，还有人做望远镜观测结果...从研究设备来看，有光学望远镜、射电望远镜、粒子探测器和引力波探测器等。有的设备在地面，有的放在Tai 空。

图1天文学中常用的观测设备及观测后合成的图像

“你是做什么的？”

“我的工作不是看星星。我做的是天体物理学中磁流体力学的数值模拟。”通常，我们的谈话以一个长长的“哦……”结束。不过还是有一些高手会追根究底，所以我就试着描述一下这个看似“高级”的工作。

问题1:“什么是数值模拟？为什么听起来像数学里的东西？这和天文学有什么关系？”

数值模拟是通过数值计算模拟物理过程的一种方法。它根据一定的物理规律，用离散变量描述物理系统的状态。最简单的例子是用一系列离散点代替公式来表示一条直线。在数值模拟过程中，这些离散变量在物理规律的约束下演化，从而模拟物理过程的发展和演化。

天体物理学中也存在很多难以用解析表达式表达的问题，需要用数值模拟来分析。

图2数值模拟得到的引力波图例

问题2:“什么是等离子体？什么是磁流体动力学模拟？”

等离子体是指由等电荷组成的系统，其中可能含有一些中性粒子。据估计，宇宙中99%的物质是等离子体。比如闪电、极光等自然现象，荧光灯、霓虹灯、氢弹等人工产物，太阳、星团、星云等宇宙天体，甚至蜡烛的火焰都是等离子体。

图3霓虹灯和极光

在空和天体物理学之间观察到的大量现象都涉及到等离子体物理的原理和规律。等离子体数值模拟主要有两种类型。一种是磁流体动力学模拟，将等离子体视为导电的连续介质，以磁流体动力学方程为起始方程，适用于研究等离子体的宏观行为；第二，粒子模拟直接关注更原始的粒子描述，适合研究小尺度等离子体问题。

磁流体力学描述了等离子体的宏观性质和运动，以及等离子体和磁场之间的相互作用。一般认为它适用于处理动力学演化过程中空尺度远大于微观尺度的等离子体。

天体物理学中磁流体动力学的研究内容极其丰富，如磁流体动力波、磁流体动力不稳定性、各种自相似解、磁流体中的湍流、磁流体中的磁重联、太阳和星系的发生器理论、双星和年轻恒星及活动星系核周围圆盘的吸积和喷流、磁流体中的伽马射线暴和激波等。

图4由气体、等离子体和尘埃组成的星系

问题3:“数值模拟在磁流体力学中有什么用？”

在天体物理学的研究中，观测得到的结果与理论推导存在较大差异，或者由于观测设备分辨率不足，捕捉小尺度物理结构存在困难。

比如在太阳爆发过程中，观测到耀斑与日冕物质抛射之间的电流片厚度，由于受到投影效应的影响，可以达到104 ~ 105千米量级；然而，理论电流片厚度可能只有几十米或几千米。

为了统一观测和理论，有必要用数值模拟技术来解释在如此厚的电流片中发生了什么物理过程。因此，作为理论与观测之间的桥梁，数值模拟技术起着至关重要的作用。

随着高性能计算平台能力的不断增强，数值模拟的精度也相应提高，这使得研究小尺度天体的精细内部结构成为可能。数值模拟和半解析模型的结合为理论模型的观测和检验提供了基本手段。

图5太阳爆发中的等离子体

问题4:“如何进行磁流体力学数值模拟？”

有人可能会说程序太难了，我不知道怎么开始写一个完整的包。

幸运的是，MHD数值模拟有一些完善的开源程序，经过多次测试和使用，可以满足一些科研需求。比如ZEUS、ATHENA、NIRVANA、MPI-AMRVAC等程序都是天体物理中MHD数值模拟的开源程序，入门相对容易。

在上述软件平台上进行数值模拟时，首先要考察需要解决的物理问题，选择适合解决问题的程序。对于具体的物理问题，需要确定要考虑的计算面积、计算网格精度、基本参数的设置、物理效应、初始条件和边界条件。

对于初学者，您可以通过在开源程序中运行独立且经过验证的示例来体验这个过程。对于调试和测试成功的案例，如果计算量大，可以进一步放到超级计算机平台上进行计算。

此外，有必要确保有关的计算结果是由于物理原因，而不是数字原因。例如，在模拟磁重联时，需要估计数值耗散与物理耗散的比率，并确保该比率足够小，以使磁重联不会由数值耗散引起。

然后，我们使用可视化软件对数据进行可视化，即将仿真数据的结果绘制成图像或制作小视频，来查看系统的演化过程。

可视化可以直观地看到所关注的特征值或系统的演化，巧妙地对感兴趣的部分进行分析和深度处理，并直接与观测进行比较，从而对现象背后的物理本质有更清晰的认识。

图6是林-福布斯理论模型示意图；它是三维磁流体力学数值模拟的结果。是极紫外波段的观测图像；它是观测图像和理论模型的合成图像的叠加。我们可以看到，理论、仿真和观测结果显示出相似的结构特征。数值模拟结果补充了理论和观测结果，加深了我们对大规模太阳爆发过程的理解，使我们能够详细分析系统演化的细节。

图7。图11来自Downs等人，上面一行是来自仪器EUVI-A的观测结果，下面一行是模拟仪器响应制作的合成图。这两条线表现出相似的结构和演化特征。

好吧，这是我们的工作。你明白吗？