Магнитное торможение (астрономия)

Теория, объясняющая замедление вращения звезды

Линии магнитного поля вращаются вместе с Солнцем как твердый объект. Ионизированный материал, переносимый вдоль линий поля, в какой-то момент выйдет из линий магнитного поля и, таким образом, унесет угловой момент Солнца. ${\displaystyle r_{c}}$

Магнитное торможение — теория, объясняющая потерю звездного углового момента из-за захвата материала звездным магнитным полем и выброса его на большое расстояние от поверхности звезды. Она играет важную роль в эволюции двойных звездных систем.

Проблема

В настоящее время принятая теория эволюции планетной системы утверждает, что система возникла из сжимающегося газового облака. По мере сжатия облака угловой момент должен сохраняться . Любое небольшое чистое вращение облака приведет к увеличению спина по мере коллапса облака, заставляя материал превращаться во вращающийся диск. В плотном центре этого диска образуется протозвезда , которая получает тепло от гравитационной энергии коллапса. По мере продолжения коллапса скорость вращения может увеличиться до точки, где аккрецирующая протозвезда может распасться из-за центробежной силы на экваторе. ${\displaystyle L}$

Таким образом, скорость вращения должна быть замедлена в течение первых 100 000 лет жизни звезды, чтобы избежать этого сценария. Одним из возможных объяснений торможения является взаимодействие магнитного поля протозвезды со звездным ветром. В случае Солнечной системы , когда угловые моменты планет сравниваются с собственным моментом Солнца, у Солнца менее 1% от его предполагаемого углового момента. Другими словами, Солнце замедлило свое вращение, а планеты — нет.

Идея магнитного торможения

Ионизированный материал, захваченный линиями магнитного поля, будет вращаться вместе с Солнцем, как если бы это было твердое тело. Когда материал покидает Солнце из-за солнечного ветра , высокоионизированный материал будет захвачен линиями поля и будет вращаться с той же угловой скоростью, что и Солнце, даже если он уносится далеко от поверхности Солнца, пока в конечном итоге не уйдет. Этот эффект переноса массы далеко от центра Солнца и ее отбрасывания замедляет вращение Солнца. ^{[1] [2]} Тот же эффект используется для замедления вращения вращающегося спутника ; здесь два провода разматывают грузы на расстояние, замедляющее вращение спутника, затем провода обрезаются, позволяя грузам улетать в космос и навсегда лишая космический корабль его углового момента .

Теория магнитного торможения

Поскольку ионизированный материал следует за линиями магнитного поля Солнца ^[3] , из-за эффекта замороженности линий поля в плазме заряженные частицы испытывают силу величиной: ${\displaystyle \mathbf {F} }$

${\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

где - заряд, - скорость, а - вектор магнитного поля. Это изгибающее действие заставляет частицы " закручиваться " вокруг линий магнитного поля, удерживаясь на месте "магнитным давлением" или "плотностью энергии", вращаясь вместе с Солнцем как твердое тело: ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mathbf {v} }$ ${\displaystyle \mathbf {B} }$ ${\displaystyle P_{B}}$

${\displaystyle P_{B}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}$

Поскольку напряженность магнитного поля уменьшается пропорционально кубу расстояния, то найдется место, где кинетическое давление ионизированного газа будет достаточно велико, чтобы оторваться от линий поля: ${\displaystyle P_{g}}$

${\displaystyle P_{g}=nmv^{2}}$

где n — число частиц, m — масса отдельной частицы, а v — радиальная скорость от Солнца или скорость солнечного ветра.

Из-за высокой проводимости звездного ветра магнитное поле за пределами Солнца уменьшается с радиусом, как и плотность массы ветра, т.е. уменьшается по закону обратных квадратов. ^[4] Магнитное поле, таким образом, определяется как

${\displaystyle B(r)=B_{s}{\frac {R^{2}}{r^{2}}}}$

где - магнитное поле на поверхности Солнца, а - его радиус. Критическое расстояние, на котором материал оторвется от линий поля, можно затем рассчитать как расстояние, на котором кинетическое давление и магнитное давление равны, т.е. ${\displaystyle B_{s}}$ ${\displaystyle R}$

${\displaystyle P_{B}=P_{g}\Rightarrow }$

${\displaystyle {\frac {B(r_{c})^{2}}{2\mu _{0}}}=nmv^{2}\Rightarrow }$

${\displaystyle {\frac {B_{s}^{2}R^{4}}{2\mu _{0}r_{c}^{4}}}=nmv^{2}}$

Если потеря массы Солнца имеет всенаправленное направление, то потеря массы ; подставляя это в приведенное выше уравнение и выделяя критический радиус, следует, что ${\displaystyle nm={\frac {dM/dt}{4\pi r^{2}v}}}$

${\displaystyle r_{c}=R\left({\frac {2\pi B_{s}^{2}R^{2}}{\mu _{0}v{\dot {M}}}}\right)^{1 \over 2}}$

Текущая стоимость

В настоящее время предполагается, что:

• Скорость потери массы Солнца составляет около ${\displaystyle {\dot {M}}=dM/dt=2\cdot 10^{9}\,{\rm {kg/s}}}$
• Скорость солнечного ветра составляет ${\displaystyle v=5\cdot 10^{5}\,{\rm {m/s}}}$
• Магнитное поле на поверхности ${\displaystyle B_{s}\approx 10^{-4}{\rm {T}}}$
• Радиус Солнца равен ${\displaystyle R=7\cdot 10^{5}\,{\rm {km}}}$

Это приводит к критическому радиусу . Это означает, что ионизированная плазма будет вращаться вместе с Солнцем как твердое тело, пока не достигнет расстояния, примерно в 15 раз превышающего радиус Солнца; оттуда материал разорвется и перестанет влиять на Солнце. ${\displaystyle r_{c}=15R_{\odot }}$

Количество солнечной массы, которое необходимо выбросить вдоль силовых линий, чтобы Солнце полностью прекратило вращение, можно затем рассчитать с помощью удельного углового момента:

${\displaystyle {\frac {j_{\odot }}{j_{c}}}=\left({\frac {R_{\odot }}{r_{c}}}\right)^{2}\approx 0.5\%}$

Было высказано предположение, что Солнце потеряло сопоставимое количество материала в течение своей жизни. ^[5]

Ослабленное магнитное торможение

В 2016 году ученые из обсерваторий Карнеги опубликовали исследование, предполагающее, что звезды на той же стадии жизни, что и Солнце, вращаются быстрее, чем предсказывали теории магнитного торможения. ^[6] Чтобы вычислить это, они определили темные пятна на поверхности звезд и отследили их движение вместе со вращением звезд. Хотя этот метод оказался успешным для измерения вращения молодых звезд, «ослабленное» магнитное торможение в старых звездах оказалось сложнее подтвердить, поскольку последние, как известно, имеют меньше звездных пятен. В исследовании, опубликованном в Nature Astronomy в 2021 году, исследователи из Бирмингемского университета использовали другой подход, а именно астросейсмологию , чтобы подтвердить, что старые звезды, по-видимому, вращаются быстрее, чем ожидалось. ^[7]

Смотрите также

• Крафт-брейк
• Магнитное поле звезды
• Вращение звезд

Ссылки

1. Феррейра, Дж.; Пеллетье, Г.; Эппл, С. (2000). «Переподключение X-ветров: замедление вращения маломассивных протозвезд». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 312 (2): 387–397. Bibcode : 2000MNRAS.312..387F. CiteSeerX  10.1.1.30.5409 . doi : 10.1046/j.1365-8711.2000.03215.x .
2. Девитт, Терри (31 января 2001 г.). «Что тормозит безумно вращающиеся звезды?». Университет Висконсин-Мэдисон . Получено 27 июня 2007 г.
3. "NASA/Marshall Solar Physics".
4. Вебер, Эдмунд Дж.; Дэвис, Леверетт-младший (1967). «Угловой момент солнечного ветра». Астрофизический журнал . 148 : 217–227. Bibcode : 1967ApJ...148..217W. doi : 10.1086/149138 .
5. Сакманн, И.-Джулиана; Бутройд, Арнольд И. (февраль 2003 г.), «Наше Солнце. V. Яркое молодое Солнце, согласующееся с гелиосейсмологией и высокими температурами на древней Земле и Марсе», The Astrophysical Journal , 583 (2): 1024–1039, arXiv : astro-ph/0210128 , Bibcode : 2003ApJ...583.1024S, doi : 10.1086/345408, S2CID  118904050
6. van Saders, J.; Ceillier, T.; Metcalfe, T.; et al. (2016). «Ослабленное магнитное торможение как причина аномально быстрого вращения старых звезд поля». Nature . 529 (7585): 181–184. arXiv : 1601.02631 . Bibcode :2016Natur.529..181V. doi :10.1038/nature16168. PMID  26727162. S2CID  4454752.
7. Холл, Оливер Дж.; Дэвис, Гай Р.; ван Садерс, Дженнифер; Нильсен, Мартин Б.; Лунд, Миккель Н.; Чаплин, Уильям Дж.; Гарсия, Рафаэль А.; Амард, Луис; Брейманн, Анджела А.; Хан, Сания; Зее, Виктор; Тайар, Джейми (2021). «Ослабленное магнитное торможение, поддерживаемое астросейсмическими скоростями вращения карликов Кеплера». Nature Astronomy . 5 (7): 707–714. arXiv : 2104.10919 . Bibcode : 2021NatAs...5..707H. doi : 10.1038/s41550-021-01335-x. S2CID  233346971.