stringtranslate.com

Ударная волна

Ударная волна LL Ориона в туманности Ориона . Ветер звезды сталкивается с потоком туманности.
Хаббл, 1995 г.

В астрофизике головная ударная волна возникает , когда магнитосфера астрофизического объекта взаимодействует с близлежащей текущей окружающей плазмой, такой как солнечный ветер . Для Земли и других намагниченных планет это граница, на которой скорость звездного ветра резко падает в результате его приближения к магнитопаузе . Для звезд этой границей обычно является край астросферы , где звездный ветер встречается с межзвездной средой . [1]

Описание

Определяющим критерием ударной волны является то, что объемная скорость плазмы падает со « сверхзвуковой » до «дозвуковой», где скорость звука cs определяется соотношением где - отношение удельных теплоемкостей , - давление , и - плотность плазмы.

Распространенной сложностью в астрофизике является наличие магнитного поля. Например, заряженные частицы, составляющие солнечный ветер, следуют по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля. Скорость каждой частицы, вращающейся вокруг силовой линии, можно рассматривать аналогично тепловой скорости в обычном газе, а в обычном газе средняя тепловая скорость примерно равна скорости звука. При головной ударной волне основная поступательная скорость ветра (которая является компонентом скорости, параллельной силовым линиям, вокруг которых вращаются частицы) падает ниже скорости, с которой вращаются частицы.

Вокруг Земли

Наиболее изученным примером головной ударной волны является ситуация, возникающая там, где солнечный ветер сталкивается с магнитопаузой Земли , хотя головные ударные волны возникают вокруг всех планет, как ненамагниченных, таких как Марс [2] и Венера [3] , так и намагниченных, таких как Юпитер. [4] или Сатурн . [5] Головная ударная волна Земли имеет толщину около 17 километров (11 миль) [6] и расположена примерно в 90 000 километров (56 000 миль) от планеты. [7]

У комет

Головные ударные волны образуются у комет в результате взаимодействия солнечного ветра и ионосферы кометы. Вдали от Солнца комета представляет собой ледяной валун без атмосферы. По мере приближения к Солнцу тепло солнечного света вызывает выделение газа из ядра кометы , создавая атмосферу, называемую комой . Кома частично ионизируется солнечным светом, и когда солнечный ветер проходит через эту ионную кому, возникает головная ударная волна.

Первые наблюдения были сделаны в 1980-х и 90-х годах, когда несколько космических аппаратов пролетели мимо комет 21P/Джакобини-Циннера , [8] 1P/Галлея , [9] и 26P/Григг-Скеллерупа . [10] Затем было обнаружено, что ударные волны комет шире и более постепенные, чем острые планетарные ударные волны, наблюдаемые, например, на Земле. Все эти наблюдения были сделаны вблизи перигелия , когда головные ударные волны уже полностью развились.

Космический корабль «Розетта» следовал за кометой 67P/Чурюмова-Герасименко издалека Солнечной системы, на гелиоцентрическом расстоянии 3,6 а.е. , приближался к перигелию на расстоянии 1,24 а.е. и снова возвращался обратно. Это позволило Розетте наблюдать головную ударную волну в том виде, в котором она сформировалась, когда выделение газа увеличилось во время путешествия кометы к Солнцу. На этой ранней стадии развития шок назывался «младенческим луковым шоком». [11] Младенческая головная ударная волна асимметрична и, по отношению к расстоянию до ядра, шире, чем полностью развитая головная ударная волна.

Вокруг Солнца

Пузырьковая гелиосфера, движущаяся через межзвездную среду и ее различные структуры.

В течение нескольких десятилетий считалось, что солнечный ветер образует головную ударную волну на краю гелиосферы , где он сталкивается с окружающей межзвездной средой. При удалении от Солнца точка, где поток солнечного ветра становится дозвуковым, является завершающей ударной волной , точка, где давление межзвездной среды и солнечного ветра уравновешивается, является гелиопаузой , а точка, где поток межзвездной среды становится дозвуковым, будет ударная волна. Считалось, что эта солнечная головная ударная волна находится на расстоянии около 230 а.е. [12] от Солнца, что более чем в два раза превышает расстояние от конечной ударной волны, с которой столкнулся космический корабль «Вояджер».

Однако данные, полученные в 2012 году с помощью аппарата Interstellar Boundary Explorer (IBEX) НАСА, указывают на отсутствие какой-либо солнечной ударной волны. [13] Наряду с подтверждающими результатами космического корабля «Вояджер» , эти результаты послужили причиной некоторых теоретических усовершенствований; В настоящее время считается, что образованию головной ударной волны препятствует, по крайней мере, в галактической области, через которую проходит Солнце, сочетание силы местного межзвездного магнитного поля и относительной скорости гелиосферы. [14]

Вокруг других звезд

В 2006 году вблизи звезды AGB R Гидры была обнаружена головная ударная волна в дальнем инфракрасном диапазоне . [15]

Головная ударная волна вокруг R Гидры [16]

Головные ударные волны также являются общей чертой объектов Хербига Аро , в которых гораздо более сильный коллимированный поток газа и пыли из звезды взаимодействует с межзвездной средой, создавая яркие головные ударные волны, видимые в оптических длинах волн.

Космический телескоп Хаббл сделал эти изображения головных ударных волн, состоящих из плотных газов и плазмы в туманности Ориона .

Вокруг массивных звезд

Если массивная звезда является убегающей звездой , она может сформировать инфракрасную головную ударную волну, которую можно обнаружить в диапазоне 24 мкм, а иногда и в 8 мкм космического телескопа Спитцер или каналов W3/W4 WISE . В 2016 г. Кобульники и др. действительно создал самый большой на сегодняшний день каталог ударных амортизаторов Spitzer/WISE, включающий 709 кандидатов на ударные амортизаторы. [17] Чтобы получить больший каталог ударных волн, проект «Млечный Путь» ( проект Citizen Science ) направлен на составление карты инфракрасных ударных волн в галактической плоскости. Этот более крупный каталог поможет понять звездный ветер массивных звезд. [18]

Дзета Змееносца — самая известная стрела массивной звезды. Изображение получено космическим телескопом Спитцер.

Ближайшие звезды с инфракрасными ударными волнами:

Большинство из них принадлежат к ассоциации Скорпиона-Центавра, а Тета Киля , самая яркая звезда IC 2602 , также может принадлежать к подгруппе Нижнего Центавра-Креста. Эпсилон Персея не принадлежит к этому звездному объединению . [19]

Эффект магнитной драпировки

Подобный эффект, известный как эффект магнитного драпирования, возникает, когда поток суперальфвеновой плазмы сталкивается с незамагниченным объектом, например, что происходит, когда солнечный ветер достигает ионосферы Венеры: [20] поток отклоняется вокруг объекта, драпирующего магнитное поле . по следовому потоку. [21]

Условие того, что поток является суперальвеновским, означает, что относительная скорость между потоком и объектом больше, чем локальная альфвеновская скорость , что означает большое альфвеновское число Маха: . Для ненамагниченных и электропроводящих объектов окружающее поле создает электрические токи внутри объекта и в окружающей плазме, так что поток отклоняется и замедляется, поскольку временной масштаб диссипации магнитного поля намного больше, чем временной масштаб адвекции магнитного поля . Индуцированные токи, в свою очередь, генерируют магнитные поля, которые отклоняют поток, создавая головную ударную волну. Например, ионосферы Марса и Венеры обеспечивают проводящую среду для взаимодействия с солнечным ветром. Без ионосферы текущая намагниченная плазма поглощается непроводящим телом. Последнее происходит, например, при взаимодействии солнечного ветра с Луной , не имеющей ионосферы. При магнитном драпировании силовые линии оборачиваются вокруг передней стороны объекта, создавая узкую оболочку, похожую на головные ударные волны в планетарных магнитосферах. Концентрированное магнитное поле увеличивается до тех пор, пока давление поршня не станет сравнимым с магнитным давлением в оболочке:

где – плотность плазмы, – драпированное магнитное поле вблизи объекта, – относительная скорость между плазмой и объектом. Магнитное драпирование было обнаружено вокруг планет, лун, солнечных корональных выбросов массы и галактик. [22]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Спаравинья, AC; Мараззато, Р. (10 мая 2010 г.). «Наблюдение ударных волн звезд». arXiv : 1005.1527 [физика.пространство-ph].
  2. ^ Мазель, К.; Винтерхальтер, Д.; Зауэр, К.; Тротиньон, Дж.Г.; и другие. (2004). «Ударная волна и явления вверх по течению на Марсе». Обзоры космической науки . 111 (1): 115–181. Бибкод :2004ССРв..111..115М. doi :10.1023/B:SPAC.0000032717.98679.d0. S2CID  122390881.
  3. ^ Мартинец, К.; и другие. (2008). «Расположение границ головной ударной волны и ионного состава на Венере - первоначальные определения с Венеры, экспресс ASPERA-4». Планетарная и космическая наука . 56 (6): 780–784. Бибкод : 2008P&SS...56..780M. дои :10.1016/j.pss.2007.07.007. S2CID  121559655.
  4. ↑ Сего, Кароли (18 июля 2003 г.). «Измерения плазменным спектрометром Кассини структуры головной ударной волны Юпитера» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 108 (A7): 1287. Бибкод : 2003JGRA..108.1287S. дои : 10.1029/2002JA009517 .
  5. ^ «Кассини сталкивается с ударной силой Сатурна». Кафедра физики и астрономии Университета Айовы .
  6. ^ «Кластер показывает, что головная ударная волна Земли удивительно тонкая» . Европейское космическое агентство . 16 ноября 2011 г.
  7. ^ «Кластер показывает реформацию ударной волны Земли» . Европейское космическое агентство . 11 мая 2011 г.
  8. ^ Джонс, Делавэр; Смит, Э.Дж.; Славин, Дж.А.; Цурутани, БТ; Сиско, GL; Мендис, Д.А. (1986). «Лучная волна кометы Джакобини-Циннера - наблюдения магнитного поля ICE». Геофиз. Рез. Летт . 13 (3): 243–246. Бибкод : 1986GeoRL..13..243J. дои : 10.1029/GL013i003p00243.
  9. ^ Грингауз, К.И.; Гомбоси, Техас; Ремизов А.П.; Семерей, И.; Веригин, М.И.; и другие. (1986). «Первые натурные измерения плазмы и нейтрального газа на комете Галлея». Природа . 321 : 282–285. Бибкод : 1986Natur.321..282G. дои : 10.1038/321282a0. S2CID  117920356.
  10. ^ Нойбауэр, FM; Маршалл, Х.; Пол, М.; Глассмайер, К.-Х.; Мусманн, Г.; Мариани, Ф.; и другие. (1993). «Первые результаты эксперимента с магнитометром Джотто во время встречи П / Григга и Скьеллерупа». Астрономия и астрофизика . 268 (2): L5–L8. Бибкод : 1993A&A...268L...5N.
  11. ^ Гунелл, Х.; Гетц, К.; Саймон Ведлунд, К.; Линдквист, Дж.; Хамрин, М.; Нильссон, Х.; Ллера, К.; Эрикссон, А.; Хольмстрем, М. (2018). «Младенческая ударная волна: новый рубеж кометы со слабой активностью» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 619 : Л2. Бибкод : 2018A&A...619L...2G. дои : 10.1051/0004-6361/201834225 .
  12. ^ "APOD: 24 июня 2002 г. - Солнечная гелиосфера и гелиопауза" .
  13. ^ «НАСА - IBEX обнаруживает недостающую границу на краю Солнечной системы» . Архивировано из оригинала 7 марта 2013 г. Проверено 12 мая 2012 г.
  14. ^ МакКомас, диджей; Алексашов Д.; Бзовски, М.; Фар, Х.; Херихейзен, Дж.; Измоденов В.; Ли, Массачусетс; Мёбиус, Э.; Погорелов Н.; Швадрон, Северная Каролина; Занк, врач общей практики (2012). «Межзвездное взаимодействие гелиосферы: без ударной волны». Наука . 336 (6086): 1291–1293. Бибкод : 2012Sci...336.1291M. дои : 10.1126/science.1221054 . PMID  22582011. S2CID  206540880.
  15. ^ Обнаружение туманности Луковой ударной волны в дальнем инфракрасном диапазоне вокруг R Hya: первые результаты MIRIAD
  16. ^ Пресс-релиз Научного центра Спитцер: Красный гигант, погружающийся в космос
  17. ^ "ВизиР". vizier.u-strasbg.fr . Проверено 28 апреля 2017 г.
  18. ^ "Зоониверс". www.zooniverse.org . Проверено 28 апреля 2017 г.
  19. ^ melinasworldblog (26 апреля 2017 г.). «Близкие рога». Мир Мелины . Проверено 28 апреля 2017 г.
  20. ^ Лютиков, М. (2006). «Магнитная драпировка сливающихся ядер и радиопузырей в скоплениях галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 373 (1): 73–78. arXiv : astro-ph/0604178 . Бибкод : 2006MNRAS.373...73L. дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.10835.x. S2CID  15052976.
  21. ^ Шор, СН; ЛаРоса, Теннесси (1999). «Изолированные нетепловые нити в центре Галактики как аналоги плазменных хвостов комет». Астрофизический журнал . 521 (2): 587–590. arXiv : astro-ph/9904048 . Бибкод : 1999ApJ...521..587S. дои : 10.1086/307601. S2CID  15873207.
  22. ^ Пфроммер, Кристоф; Дурси, Л. Джонатан (2010). «Обнаружение ориентации магнитных полей в скоплениях галактик». Физика природы . 6 (7): 520–526. arXiv : 0911.2476 . Бибкод : 2010NatPh...6..520P. дои : 10.1038/NPHYS1657. S2CID  118650391.

Рекомендации

Внешние ссылки