Radiacionnye diskony
12.12.2005 20:11 | "Sorosovskaya Enciklopediya"
1. Radiacionnyi diskon – novyi astrofizicheskii ob'ekt
Naryadu s obychnymi zvezdami, svet kotoryh mozhno videt' nevooruzhennym glazom, v nashei i v drugih galaktikah sushestvuyut tak nazyvaemye vyrozhdennye zvezdy. V takih zvezdah veshestvo (ili ego otdel'nye komponenty) v osnovnom sostoyat iz vyrozhdennogo gaza, dvizhenie chastic v kotorom opisyvaetsya ne klassicheskimi, a kvantovymi zakonami. Davlenie vyrozhdennogo gaza sushestvenno vozrastaet po sravneniyu s davleniem klassicheskogo gaza v obychnyh zvezdah. Eto delaet vozmozhnym obrazovanie zvezd malyh razmerov – belyh karlikov i neitronnyh zvezd, v kotoryh ogromnye sily gravitacii uravnoveshivayutsya sil'nym davleniem vyrozhdennogo gaza. Razmery belyh karlikov sravnimy s razmerami Zemli, a razmery neitronnyh zvezd eshe men'she, vsego lish' 10-15 km, v to vremya kak ih massy poryadka massy Solnca Mʘ. U mnogih vyrozhdennyh zvezd sushestvuyut sil'nye magnitnye polya, dostigayushie 107-109 Gs u belyh karlikov i 1011-1013 Gs u neitronnyh zvezd.
Stol' sil'nye magnitnye polya rezko menyayut harakter vzaimodeistviya plazmy v okrestnosti zvezdy s ee izlucheniem. Blagodarya magnitnomu polyu voznikaet sil'noe ciklotronnoe rasseyanie izlucheniya v plazme na chastote vrasheniya elektronov v magnitnom pole – elektronnoi girochastote (ciklotronnoi chastote) ωB=eB/mc i ee garmonikah ωB (zdes' B – indukciya magnitnogo polya, e i m – zaryad i massa elektrona, c – skorost' sveta, s – celoe polozhitel'noe chislo). Etot effekt privodit k formirovaniyu ciklotronnyh osobennostei v spektrah vyrozhdennyh zvezd. Takie osobennosti v vide linii i polos nablyudalis' v opticheskih spektrah magnitnyh belyh karlikov (kak izolirovannyh, tak i nahodyashihsya v dvoinyh sistemah, gde proishodit akkreciya – peretekanie veshestva s obychnoi zvezdy na vyrozhdennuyu), v spektrah kak rentgenovskih pul'sarov, tak i kosmicheskih gamma-vspleskov. Sil'nye magnitnye polya vyrozhdennyh zvezd mogut vliyat' na dvizhenie plazmy. Vo-pervyh, sil'noe magnitnoe pole opredelyaet kartinu techeniya veshestva i sushestvenno vliyaet na harakter akkrecii na zvezdu i istecheniya veshestva s ee poverhnosti. Vo-vtoryh, pri pogloshenii ili rasseyanii izlucheniya na ciklotronnyh chastotah plazme peredaetsya ego impul's, chto privodit k poyavleniyu sily davleniya izlucheniya. Esli eta sila prevyshaet silu tyazhesti, mozhno ozhidat', chto dinamika plazmy v okrestnosti magnitnyh vyrozhdennyh zvezd v znachitel'noi stepeni opredelyaetsya radiacionnym davleniem, podobno tomu kak parametry atmosfer goryachih zvezd-gigantov opredelyayutsya davleniem izlucheniya v rezonansnyh liniyah ionov. Davlenie ciklotronnogo izlucheniya mozhet porozhdat' plazmennye techeniya tipa zvezdnogo vetra s poverhnosti zvezdy i razgonyat' veshestvo v takih techeniyah do subrelyativistskih skorostei. Ono sposobno tormozit' veshestvo v akkrecionnoi kolonke rentgenovskogo pul'sara i, nakonec, formirovat' plazmennye struktury osobogo tipa v magnitosferah odinochnyh zvezd.
Pust' v verhnih sloyah fotosfery magnitnogo belogo karlika ili neitronnoi zvezdy davlenie ciklotronnogo izlucheniya prevyshaet silu tyazhesti i privodit k istecheniyu plazmy s poverhnosti zvezdy. Magnitnoe davlenie vokrug takih zvezd mnogo bol'she dinamicheskogo davleniya dvizhusheisya plazmy. Poetomu veshestvo iz fotosfery magnitnoi vyrozhdennoi zvezdy ne mozhet istekat' svobodno – ono, kak pravilo, dvizhetsya vdol' silovyh linii magnitnogo polya. Osnovnaya chast' "vymetaemoi" davleniem izlucheniya fotosfernoi plazmy ne v sostoyanii deformirovat' ili razomknut' silovye linii magnitnogo polya (kotoroe dlya prostoty schitaem dipol'nym) i nakaplivaetsya v magnitosfere. Lish' otnositel'no malaya chast' silovyh linii, primykayushih k magnitnoi osi, mozhet byt' razomknuta plazmennym techeniem.
Ris. 1. Model' radiacionnogo diskona: 1 – goryachaya izolirovannaya magnitnaya vyrozhdennaya zvezda (belyi karlik ili neitronnaya zvezda); 2 – fotosfera, iz kotoroi istekaet plazmennyi veter, porozhdaemyi ciklotronnym izlucheniem; 3 – disk vblizi magnitnogo ekvatora v zakrytoi chasti magnitosfery; 4 – uskoryaemyi davleniem izlucheniya dzhet vdol' magnitnoi osi |
Eti soobrazheniya lezhat v osnove gipotezy o vozmozhnom sushestvovanii novyh astrofizicheskih ob'ektov – radiacionnyh diskonov (sm. shemu na ris. 1). Oni vklyuchayut v sebya goryachuyu vyrozhdennuyu zvezdu s sil'nym magnitnym polem, iz fotosfery kotoroi pod deistviem davleniya ciklotronnogo izlucheniya istekaet plazmennyi veter; plotnyi plazmennyi disk vblizi magnitnogo ekvatora i paru strui-dzhetov, raspolozhennyh vdol' magnitnoi osi. Disk formiruetsya istekayushim veshestvom i podderzhivaetsya davleniem izlucheniya fotosfery. Sama vozmozhnost' sushestvovaniya diskov okolo zvezdnyh ob'ektov horosho izvestna v astrofizike. Takie diski, nazyvaemye akkrecionnymi, obrazuyutsya, naprimer, v dvoinyh sistemah pri akkrecii veshestva s normal'noi zvezdy na kompaktnyi ob'ekt. Drugim primerom sluzhat molodye zvezdy, na stadii formirovaniya kotoryh diski mogut voznikat' iz gazovyh kompleksov vsledstvie vrasheniya sistemy. Radiacionnyi diskon – primer osobogo astrofizicheskogo ob'ekta s diskovoi strukturoi, dlya sushestvovaniya kotoroi ne trebuetsya vrasheniya ili akkrecii so zvezdy-kompan'ona v dvoinoi sisteme.
2. Usloviya vozniknoveniya diskona
Vyyasnim, pri kakih usloviyah magnitnaya vyrozhdennaya zvezda (naprimer, belyi karlik) mozhet stat' radiacionnym diskonom.
Serdce diskona – eto central'naya zvezda. Ona yavlyaetsya istochnikom veshestva dlya formirovaniya obolochki etogo ob'ekta i izlucheniya, kotoroe eto veshestvo vybrasyvaet s poverhnosti zvezdy i podderzhivaet v magnitosfere. Diskon mozhet sformirovat'sya lish' v tom sluchae, kogda davlenie ciklotronnogo izlucheniya narushaet gidrostaticheskoe ravnovesie fotosfery. Pri kakih parametrah zvezdy (velichine temperatury fotosfery i indukcii magnitnogo polya zvezdy) eto vozmozhno?
Sila davleniya ciklotronnogo izlucheniya proporcional'na potoku izlucheniya na girochastote. Poetomu temperatura zvezdy dolzhna byt' dostatochno vysoka, chtoby sila davleniya izlucheniya, prihodyashayasya na odnu chasticu, prevoshodila silu tyazhesti mpg, deistvuyushuyu na proton (mp – massa protona, g – uskorenie svobodnogo padeniya na poverhnosti zvezdy). Naibolee blagopriyatnye usloviya dlya formirovaniya diskona voznikayut v tom sluchae, esli girochastota raspolagaetsya vblizi maksimuma chastotnogo spektra izlucheniya zvezdy. Spektr izlucheniya belogo karlika v osnovnom sovpadaet so spektrom izlucheniya absolyutno chernogo tela s toi zhe temperaturoi: spektral'naya intensivnost' izlucheniya na vyhode iz fotosfery odinakova vo vseh napravleniyah i sostavlyaet
Bω*= ħω3/(4π3c2) [exp(ħω/kT*)-1] -1, | (1) |
gde T* – temperatura na poverhnosti zvezdy, ω – ciklicheskaya chastota, ħ – postoyannaya Planka, k – postoyannaya Bol'cmana. Maksimum etoi funkcii sootvetstvuet chastote, dlya kotoroi ħω/kT* ≈2,82. Poetomu magnitnoe pole i temperatura zvezdy dolzhny byt' blizki k znacheniyam, pri kotoryh ωB ≈ kT*/ħ. Poslednee sootnoshenie mozhno predstavit' v vide B ≈3,6·104T* Gs. Lish' v etom sluchae mozhet nachat'sya istechenie vodorodnoi plazmy iz fotosfery. Konkretnye raschety pozvolili postroit' diagrammu, pokazannuyu na ris. 2.
Ris. 2. Diagramma magnitnoe pole-temperatura fotosfery dlya belogo karlika s uskoreniem svobodnogo padeniya na poverhnosti g=108 sm/s2. Sprava ot sploshnoi krivoi sila davleniya ciklotronnogo izlucheniya prevyshaet silu tyazhesti. Oranzhevymi kruzhkami pokazano polozhenie na etoi diagramme izvestnyh magnitnyh belyh karlikov, sinimi – zvezdy, yavlyayushiesya kandidatami v radiacionnye diskony |
Zdes' v ploskosti parametrov lgB-lgT* provedena krivaya, sootvetstvuyushaya tem znacheniyam temperatury i indukcii magnitnogo polya, pri kotoryh sila davleniya izlucheniya ravna sile tyazhesti g=108 sm/s2 na poverhnosti belogo karlika. Pri men'shih temperaturah, sleva ot etoi krivoi, preobladaet tyagotenie i veshestvo fotosfery nahoditsya v gidrostaticheskom ravnovesii. Pri bol'shih temperaturah, v oblasti sprava ot krivoi, ravnovesie fotosfery nevozmozhno, poskol'ku v verhnih ee sloyah sila davleniya izlucheniya prevyshaet mpg. Iz diagrammy vidno, chto naimen'shaya temperatura, pri kotoroi mozhet nachat'sya istechenie veshestva iz fotosfery magnitnogo belogo karlika, sostavlyaet okolo 20000 K; magnitnoe pole zvezdy pri etom dolzhno byt' ravno (3-6)·108 Gs, chto v celom soglasuetsya s privedennoi vyshe ocenkoi blagopriyatnoi velichiny indukcii magnitnogo polya B. Oranzhevymi kruzhkami na diagramme pokazany sootvetstvuyushie parametry izvestnyh belyh karlikov, sinimi otmecheny tri zvezdy s naibolee sil'nym magnitnym polem: GD 229, PG 1031+234 i GrW+70°8247. Oni imeyut dovol'no vysokuyu temperaturu, tak chto vpolne mogut stat' kandidatami v radiacionnye diskony.
3. Intensivnost' zvezdnogo vetra
Chtoby ocenit' potok veshestva, kotoryi mozhet sozdavat'sya davleniem ciklotronnogo izlucheniya vblizi poverhnosti zvezdy, nado dopustit', chto vdol' silovyh linii magnitnogo polya cherez edinicu ploshadi v edinicu vremeni prohodit J chastic, kotorye razgonyayutsya ot dozvukovoi skorosti v osnovanii techeniya do bol'shih sverhzvukovyh skorostei v∞ na vyhode iz nego. Maksimal'naya skorost' poteri massy dostigaetsya, esli rassmatrivaemyi potok plazmy polnost'yu otbiraet impul's ot izlucheniya, s kotorym on mozhet vzaimodeistvovat'. Ciklotronnyi rezonans voznikaet mezhdu plazmoi i izlucheniem s chastotoi ωB v sisteme otscheta, svyazannoi s plazmoi. V sootvetstvii s effektom Doplera sootvetstvuyushaya chastota izlucheniya v sisteme otscheta, svyazannoi so zvezdoi, ravna ωB(1+v/c). Sledovatel'no, istekayushee veshestvo, razgonyayas' ot skorosti v≪v∞ do v∞, perehvatyvaet ves' impul's izlucheniya v intervale chastot shirinoi poryadka vtermωB/c, gde vterm – teplovaya skorost' chastic. Prodol'naya (vdol' magnitnogo polya) komponenta potoka impul'sa izlucheniya v etom chastotnom intervale
Jmax(θ*)= πBω*(ωB*) ·ωB*/ (mpc2) ·cosδ* | (2) |
(θ – ugol mezhdu magnitnoi os'yu zvezdy i radiusom-vektorom). Integriruya mpJmax(θ*) po poverhnosti zvezdy, mozhno opredelit' maksimal'nuyu velichinu poteri massy v edinicu vremeni, obuslovlennuyu davleniem ciklotronnogo izlucheniya:
(dM/dt)max= 4πR*2 ∫0π mpJmax ·cosδ* ·sinθ* dθ*. | (3) |
Ocenki pokazyvayut, chto magnitnyi belyi karlik s temperaturoi 20000 K i polem (5-10)·108 Gs mozhet teryat' okolo 20 tysyach tonn veshestva v sekundu, chto sostavlyaet primerno 1 % ot tempa poteri massy Solncem. Eto ves'ma bol'shaya velichina, esli uchest', chto ploshad' belogo karlika sostavlyaet vsego lish' 10-4 ot ploshadi solnechnoi poverhnosti. Osnovnaya chast' vybroshennogo veshestva nakaplivaetsya v zakrytoi chasti magnitosfery.
4. Stroenie magnitosfery diskona
Esli predpolozhit', chto plazma vokrug zvezdy, obladayushei dipol'nym magnitnym polem, dostatochno razrezhena i izluchenie prohodit cherez nee prakticheski bez oslableniya (tak nazyvaemyi sluchai opticheski tonkoi magnitosfery), to mozhno prenebrech' vliyaniem plazmy na izluchenie i schitat' intensivnost' (a sledovatel'no, i silu davleniya izlucheniya) v lyuboi tochke vokrug zvezdy zadannoi i ne zavisyashei ot parametrov plazmennoi obolochki. Analiz dvizheniya plazmy v etom sluchae znachitel'no uproshaetsya.
Sila davleniya ciklotronnogo izlucheniya v opticheski tonkoi plazme vokrug zvezdy menyaetsya s rasstoyaniem r ot centra zvezdy, vo-pervyh, iz-za sfericheskoi rashodimosti izlucheniya ego potok padaet proporcional'no (R*/r)2 , gde R* – radius zvezdy, i, vo-vtoryh, bolee sushestvennoe vliyanie na silu davleniya ciklotronnogo izlucheniya okazyvaet neodnorodnost' dipol'nogo magnitnogo polya, iz-za kotoroi girochastota umen'shaetsya s rasstoyaniem ot zvezdy: ωB∝ (R*/r)3. Sootvetstvenno menyaetsya i intensivnost' izlucheniya Bω*(ωB), popadayushego v rezonans s chasticami magnitosfernoi plazmy. Rano ili pozdno girochastota smeshaetsya v nizkochastotnuyu chast' spektra ħω≪kT*, gde zavisimost' intensivnosti ot chastoty opisyvaetsya