Дифференциальное вращение

Изменения в скорости вращения

Дифференциальное вращение наблюдается, когда различные части вращающегося объекта движутся с разными угловыми скоростями (или скоростями вращения ) на разных широтах и/или глубинах тела и/или во времени. Это указывает на то, что объект не является жестким . В жидких объектах, таких как аккреционные диски , это приводит к сдвигу . Галактики и протозвезды обычно демонстрируют дифференциальное вращение; примеры в Солнечной системе включают Солнце , Юпитер и Сатурн . ^[1]

Около 1610 года Галилео Галилей наблюдал солнечные пятна и вычислил вращение Солнца . В 1630 году Кристоф Шайнер сообщил, что Солнце имеет разные периоды вращения на полюсах и на экваторе, что хорошо согласуется с современными значениями. ^{[ необходима цитата ]}

Причина

Звезды и планеты вращаются в первую очередь потому, что сохранение углового момента превращает случайное перемещение частей молекулярного облака , из которого они образуются, во вращательное движение по мере их слияния. Учитывая это среднее вращение всего тела, внутреннее дифференциальное вращение вызывается конвекцией в звездах, которая представляет собой движение массы из-за крутых градиентов температуры от ядра наружу. Эта масса переносит часть углового момента звезды, таким образом перераспределяя угловую скорость, возможно, даже достаточно далеко, чтобы звезда потеряла угловую скорость в звездных ветрах . Таким образом, дифференциальное вращение зависит от разницы температур в соседних областях.

Измерение

Существует много способов измерения и расчета дифференциального вращения звезд, чтобы увидеть, имеют ли разные широты разные угловые скорости. Наиболее очевидным является отслеживание пятен на поверхности звезды.

Проводя гелиосейсмологические измерения солнечных "p-мод", можно вывести дифференциальное вращение. Солнце имеет очень много акустических мод, которые колеблются внутри одновременно, и инверсия их частот может дать вращение солнечных недр. Это меняется как с глубиной, так и (особенно) с широтой.

Расширенные формы линий поглощения в оптическом спектре зависят от v _rot sin(i), где i — угол между лучом зрения и осью вращения, что позволяет изучать компонент скорости вращения по лучу зрения v _rot . Это вычисляется с помощью преобразований Фурье форм линий с использованием уравнения (2) ниже для v _rot на экваторе и полюсах. См. также график 2. Дифференциальное вращение Солнца также видно на магнитограммах, изображениях, показывающих силу и местоположение солнечных магнитных полей.

Возможно, можно измерить дифференциал звезд, которые регулярно испускают вспышки радиоизлучения. Используя 7 лет наблюдений за ультрахолодным карликом M9 TVLM 513-46546, астрономы смогли измерить тонкие изменения во времени прибытия радиоволн. Эти измерения показывают, что радиоволны могут прибывать на 1-2 секунды раньше или позже в систематической манере в течение ряда лет. На Солнце активные области являются обычными источниками радиовспышек. Исследователи пришли к выводу, что этот эффект лучше всего объясняется активными областями, появляющимися и исчезающими на разных широтах, как это происходит во время солнечного цикла пятен . ^[2]

Эффекты

Градиенты углового вращения, вызванные перераспределением углового момента в конвективных слоях звезды, как ожидается, будут основным драйвером для генерации крупномасштабного магнитного поля посредством магнитогидродинамических (динамо) механизмов во внешних оболочках. Интерфейс между этими двумя областями находится там, где градиенты углового вращения наиболее сильны и, таким образом, где процессы динамо, как ожидается, будут наиболее эффективными.

Внутреннее дифференциальное вращение является частью процессов смешивания в звездах, смешивая вещества и тепло/энергию звезд.

Дифференциальное вращение влияет на спектры оптических линий поглощения звезд за счет уширения линий , вызванного различным доплеровским смещением линий по поверхности звезды.

Дифференциальное вращение Солнца вызывает сдвиг в так называемом тахоклине. Это область, где вращение меняется от дифференциального в зоне конвекции до почти твердотельного вращения внутри, на расстоянии 0,71 радиуса Солнца от центра.

Уровень поверхности

Для наблюдаемых солнечных пятен дифференциальное вращение можно рассчитать следующим образом: где — скорость вращения на экваторе, — разница угловой скорости между полюсом и экватором, называемая силой вращательного сдвига. — гелиографическая широта , измеренная от экватора. $${\displaystyle \Omega =\Omega _{0}-\Delta \Omega \sin ^{2}\Psi }$$ ${\displaystyle \Omega _{0}}$ ${\displaystyle \Delta \Omega =(\Omega _{0}-\Omega _{\mathrm {pole} })}$ ${\displaystyle \Psi }$

• Обратной величиной вращательного сдвига является время круга, т.е. время, необходимое экватору, чтобы сделать полный круг больше, чем полюсам. ${\displaystyle {\frac {2\pi }{\Delta \Omega }}}$
• Относительная дифференциальная скорость вращения — это отношение вращательного сдвига к скорости вращения на экваторе: $${\displaystyle \alpha ={\frac {\Delta \Omega }{\Omega _{0}}}}$$
• Скорость доплеровского вращения Солнца (измеренная по смещенным за счет Доплера линиям поглощения) можно приблизительно определить следующим образом: где θ — коширота (измеренная от полюсов). $${\displaystyle {\frac {\Omega }{2\pi }}=(451.5-65.3\cos ^{2}\theta -66.7\cos ^{4}\theta )\,\mathrm {nHz} }$$

Примеры

Солнце

Внутреннее вращение Солнца, демонстрирующее дифференциальное вращение во внешней конвективной области и почти равномерное вращение в центральной лучистой области.

На Солнце изучение колебаний показало, что вращение примерно постоянно в пределах всей лучистой внутренней части и меняется с радиусом и широтой в пределах конвективной оболочки. Солнце имеет экваториальную скорость вращения ~2 км/с; его дифференциальное вращение подразумевает, что угловая скорость уменьшается с увеличением широты. Полюса совершают один оборот каждые 34,3 дня, а экватор каждые 25,05 дня, если измерять относительно далеких звезд (сидерическое вращение).

Высокотурбулентная природа солнечной конвекции и анизотропии, вызванные вращением, усложняют динамику моделирования. Масштабы молекулярной диссипации на Солнце по крайней мере на шесть порядков меньше глубины конвективной оболочки. Прямое численное моделирование солнечной конвекции должно было бы разрешить весь этот диапазон масштабов в каждом из трех измерений. Следовательно, все модели дифференциального вращения Солнца должны включать некоторые приближения относительно переноса импульса и тепла турбулентными движениями, которые явно не вычисляются. Таким образом, подходы к моделированию можно классифицировать как модели среднего поля или моделирования крупных вихрей в соответствии с приближениями.

Дисковые галактики

Дисковые галактики не вращаются как твердые тела, а вращаются дифференциально. Скорость вращения как функция радиуса называется кривой вращения и часто интерпретируется как измерение профиля массы галактики, как: где $${\displaystyle v_{c}(R)={\sqrt {\frac {GM(<R)}{R}}}}$$

• ${\displaystyle v_{c}(R),}$скорость вращения на радиусе ${\displaystyle R}$
• ${\displaystyle M(<R),}$это общая масса, заключенная в радиусе ${\displaystyle R}$

Смотрите также

• Вращение Солнца
• Джованни Кассини
• Солнечная туманность
• Вращение звезд
• Солнечное пятно

Ссылки

1. Hathaway, David H. (июль 1986). «Магнитные инверсии Юпитера и Сатурна». Icarus . 67 (1): 88–95. Bibcode :1986Icar...67...88H. doi :10.1016/0019-1035(86)90177-6 . Получено 25 апреля 2024 г. .
2. Wolszczan, A.; Route, M. (10 июня 2014 г.). «Временной анализ периодических радио- и оптических вариаций яркости сверххолодного карлика, TVLM 513-46546». The Astrophysical Journal . 788 (1): 23. arXiv : 1404.4682 . Bibcode :2014ApJ...788...23W. doi :10.1088/0004-637X/788/1/23. S2CID  119114679.

Дальнейшее чтение

• Annu. Rev. Astron. Astrophys. 2003. 41:599–643 doi :10.1146/annurev.astro.41.011802.094848 " Внутреннее вращение Солнца "
• Дэвид Ф. Грей, Звездные фотосферы; Наблюдения и анализ: Третье издание , глава 8, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-85186-2 
• A. Reiners, JHMM Schmitt, (2002), О возможности обнаружения дифференциального вращения в профилях поглощения звезд, A&A 384 (1) 155–162 doi :10.1051/0004-6361:20011801

Внешние ссылки

• http://www.astro.physik.uni-goettingen.de/~areiners/DiffRot/interactive.htm Моделирование эффектов дифференциального вращения на профилях линий поглощения звезд, выполненное Ансгаром Райнерсом
• объяснение увеличения угловой скорости на экваториальной широте из-за превышения массы, прибывающей из нагретого ядра