WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

УДК 524.3 Кузьмин Николай Михайлович ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАБЛЮДАЕМЫХ СТРУКТУР В МОЛОДЫХ ЗВЕЗДНЫХ ОБЪЕКТАХ 01.03.02 “Астрофизика и радиоастрономия”

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз 2008

Работа выполнена на кафедре теоретической физики и волновых процессов Волгоградского государственного университета.

Научный консультант: доктор физико-математических наук Мусцевой Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Афанасьев Виктор Леонидович, кандидат физико-математических наук, Кайгородов Павел Вячеславович.

Ведущая организация: Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва.

Защита состоится “ ” 2008 г. в часов на заседании диссер тационного совета Д 002.203.01 при Специальной астрофизической обсервато рии РАН по адресу: 369167, КЧР, Зеленчукский район, пос. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САО РАН.

Автореферат разослан “ ” 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук Е.К. Майорова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы и предмет исследования. Как показали наблюдения последних двадцати лет, аккреционно-струйные системы доста точно широко распространены в астрофизике. В них реализуется ситуация, когда падающее на гравитирующий центр вещество образует быстро вращаю щийся диск, и одновременно с этим характерным видом течения дисковой аккрецией присутствует отток газа (outflows) в виде струйных выбросов (джетов), происходящих в направлениях, перпендикулярных плоскости сим метрии диска, и, как правило, биполярных (т.е. истечение происходит в обоих направлениях). Особенностью астрофизических струй является существенно сверхзвуковой характер течения. Это приводит к тому, что коллективные яв ления приобретают в них характер ударных волн, формирующих регулярную упорядоченную пространственную структуру в струе и сопровождающихся интенсивным высвечиванием. Указанные структуры различны в различных объектах: наблюдаются или периодически расположенные вдоль оси симмет рии струи яркие излучающие узлы с объемным заполнением (светимость растет с приближением к центру узла), или винтовые спирали, светимость в которых локализована к границе струи, или же комбинация (суперпози ция) первых двух узоров. Струйные выбросы оканчиваются ярким объектом, представляющим собой ударную волну большой интенсивности (bow shock), образованную вторжением существенно сверхзвукового выброса в окружаю щую аккреционно-струйную систему среду. Головная часть джетов поэтому оказывается окруженной коконом горячего и сильно турбулизованного газа, прошедшего через этот ударный фронт.

К аккреционно-струйным системам относятся протозвездные и молодые звездные системы с джетами, релятивистские струи из двойных систем, по добных SS–433, джеты в окрестностях активных ядер галактик и, возможно, протяженные джеты из радиогалактик.

Исторически сложилось так, что изучение динамики молодых звездных систем начиналось в двух направлениях с исследования линейной стадии развития гидродинамической неустойчивости в струях (как правило, плос ких, цилиндрических, или, в редких исключительных случаях, постоянно го угла раствора) и численного нелинейного моделирования этого процес са, либо с численного моделирования возбуждения головной ударной волны (bow shock), возникающей при вторжении сверхзвуковой струи в однородную невозмущенную окружающую среду околозвездного облака. Это было связа но с относительно слабыми возможностями приборов, из-за чего наблюдались только наиболее яркие объекты, а именно излучающие узлы в струях и го ловные части внешних ударных волн в расширяющихся оболочках.

Неустойчивость Кельвина–Гельмгольца и резонансно-акустические мо ды джетов. В работах [1–3] показано, что в астрофизических струях раз вивается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. При этом развивается как осесимметричная (пинчевая) мода, так и неосесимметричные (винтовые) с различным индексом симметрии m (числом рукавов винтовой спирали на поперечном срезе струи). Очень быстро затем пришло осознание того фак та, что струя представляет собой волновод, в котором наряду с указанными выше основными модами должны существовать и их высшие гармоники, раз личающиеся числом нулей возмущенных величин по радиусу струи. Как ока залось, при отвечающих наблюдаемым параметрах джетов, для таких гармо ник развитие неустойчивости происходит значительно интенсивнее, чем для основных мод. При этом обусловленные ими излучающие узлы характеризу ются объемным, а не поверхностным заполнением, что хорошо согласуется с наблюдениями.

Механизм неустойчивости отражательных гармоник подробно анализиро вался в [4–7]. Как показано в [8–11], сглаживание скачка скорости между струей и окружающей средой не только не устраняет усиления волн, но и приводит к появлению новых неустойчивых мод (так называемые “дразинов ские моды”), связанных с излучением энергии из критического слоя, в кото ром скорость потока и скорость фазы волны вдоль нее совпадают, эффект, обратный затуханию Ландау [12].

Влияние гравитации центрального тела на неустойчивые моды струй.

Хотя анализу устойчивости джетов посвящено уже сравнительно большое число работ, где рассматриваются достаточно сложные и подчас весьма экзо тические модели (см., например, [13–15]), остался ряд нерешенных принципи альных вопросов. Так например, хотя практически все наблюдаемые струй ные выбросы конические, теоретических работ по устойчивости астрофизи ческих струй с постоянным углом раствора практически нет. Исключение составляет работа [16], однако в ней равновесные градиенты термодинамиче ских параметров вещества струи никак не привязываются к гравитационно му полю источника выброса. В то же время понятно, что зарождение и рост возмущений, создающих впоследствии наблюдаемую крупномасштабную вол новую структуру джетов, происходит во внутренних, близких к источнику выброса областях, где влияние гравитации центрального объекта на моды джетов может оказаться существенным.

Ранее нами были построены равновесные стационарные модели сверхзву ковых конических струй с постоянным углом раствора, находящихся в балан се по давлению с окружающей средой в поле тяжести центрального массивно го объекта [17–19], и было показано, что параметры течения в таких струях не произвольны, а однозначно определяются параметрами окружающей сре ды. Отметим, что последнее заставляет усомниться в возможности широкой распространенности таких струй.

Проведенное в рамках предложенной модели исследование устойчиво сти показало, что учет гравитации приводит к появлению дополнительных неустойчивых мод струи волноводно-резонансных внутренних гравитацион ных с аналогичным описанному в предыдущем пункте механизмом раскачки, обусловленным сверхотражением волн этого типа от границ струи. Кроме то го, в сравнении с однородным вдоль струи случаем, существенно меняется закон дисперсии возмущений.

Влияние внешнего нагрева и охлаждения высвечиванием на резонансно неустойчивые моды струй. Дальнейшая логика исследований потребовала учета еще одного усложняющего фактора внешнего нагрева излучением звезды и динамического охлаждения высвечиванием. Последний эффект рас сматривался в работе [20], но в модели цилиндрической струи, однородной вдоль оси симметрии. В то же время понятно, что зарождение и рост возму щений, создающих впоследствии наблюдаемую крупномасштабную волновую структуру джетов, происходит во внутренних, близких к источнику выброса областях, где влияние гравитации центрального объекта и создаваемых ей градиентов равновесных термодинамических параметров и скорости на моды джетов может оказаться существенным. Проведенное нами численное нели нейное моделирование полностью подтверждает это предположение.

Эруптивные выбросы как механизм формирования излучающих узлов и высокоскоростных джетов. Все проведенное выше рассмотрение относится к наиболее популярной среди теоретиков модели струй, находящихся в балансе по давлению с окружающим газом; при построении равновесных моделей мы делаем вывод, что последнее требование, с учетом влияния гравитационного поля источника выброса, накладывает крайне жесткие ограничения на равно весные параметры таких струй, что заставляет усомниться в их повсеместной распространенности. Вместе с тем, существует альтернативная точка зрения о том, что излучающие узлы джетов обусловлены не развитием гидродина мических неустойчивостей в непрерывных струях до стадии ударных волн, а являются ударными волнами, возникающими при вторжении в окружающую среду отдельных сгустков газа, квазипериодически выстреливаемых из ядра протозвезды (эруптивные выбросы) [21–23, 23–26].

Завершая обсуждение, следует сделать вывод об однозначной необходи мости рассмотрения самосогласованных моделей аккреционно-струйных си стем, поскольку исключение из рассмотрения хотя бы одной компоненты си стемы радикально изменяет всю физическую картину ее эволюции.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является изу чение принципиальной возможности и характерных особенностей гидроди намических механизмов формирования наблюдаемых структур в молодых звездных объектах, исследование влияния различных параметров на эволю цию таких систем, выявление возможности согласования процессов, протека ющих в газовых подсистемах молодых звездных объектов, развитие теории аккреционно-струйных систем, находящихся в поле гравитационного потен циала центрального тела и объяснение наблюдаемых феноменов на основе проведенного анализа.

Научная новизна. Впервые показано, что за формирование наблюдае мых регулярных структур в конических джетах из молодых звездных объ ектов в случае интенсивного охлаждения высвечиванием могут быть ответ ственны только поверхностные неустойчивые моды Кельвина–Гельмгольца и медленные (распространяющиеся по веществу струи к источнику) вол новодно-резонансные энтропийные моды. Скорости этих мод вдоль границ струи превышают характерную скорость звука в окружающей атмосфере, что позволяет предполагать возможность их эволюции в ударные волны.

Разработан и апробирован численный код для моделирования нелинейной эволюции струй из молодых звездных объектов на фоне их стационарной модели [18] в сферической системе координат. Впервые показано, что, на блюдаемый угол раствора струй из молодых звездных объектов закономерно оказывается меньшим, чем реальный. Открыт и исследован механизм, бла годаря которому сложная картина течений, возникающая после начального выброса из молодой звезды, будет эволюционировать в структуру, сходную с так называемыми HH-объектами. Примечательно, что этот механизм явля ется чисто гидродинамическим, без необходимости привлечения магнитных полей и иных внешних эффектов. Предложено объяснение наблюдающихся в ряде массивных протозвездных облаков, содержащих одновременно несколь ко молодых звездных объектов, квазипараллельных джетов развитием в этих облаках антициклонических вихрей Россби с последующим формированием в этих вихрях протозвезд из-за развития гравитационной неустойчивости.

Научная и практическая значимость. Полученные в диссертации ре зультаты могут представлять интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применений для широкого круга специа листов, занимающихся проблемами астрономии, астрофизики, газодинамики и численного моделирования в таких учреждениях, как Институт Астроно мии РАН, Астрономический институт СПбГУ, Институт космических иссле довний РАН, Государственный астрономический институт им. Штернберга, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Московский, Санкт-Петер бургский, Ростовский, Калмыцкий, Уральский госуниверситеты и т.д.

В целом полученные результаты развивают важное направление совре менной астрофизики теорию аккреционно-струйных систем.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. За формирование наблюдаемых регулярных структур в конических джетах из молодых звездных объектов в случае интенсивного охла ждения высвечиванием могут быть ответственны только поверхностные неустойчивые моды Кельвина–Гельмгольца и медленные (распростра няющиеся по веществу струи к источнику) волноводно-резонансные эн тропийные моды. Скорости этих мод вдоль границ струи превышают характерную скорость звука в окружающей атмосфере, что позволяет предполагать возможность их эволюции в ударные волны.

2. Разработан и апробирован численный код для моделирования нелиней ной эволюции струй из молодых звездных объектов на фоне их стаци онарной модели [18] в сферической системе координат, с помощью ко торого показано, что оцениваемый по размеру излучающих узлов угол раствора струй из молодых звездных объектов закономерно оказывает ся меньшим, чем реальный, а развитие первой отражательной гармони ки струи приводит к формированию внутри джета излучающих узлов с морфологией, отвечающей данным наблюдений с пространственной периодичностью узлов r (1 4)d.

3. Открыт и исследован механизм, благодаря которому сложная картина течений, возникающая после начального выброса из молодой звезды, будет эволюционировать в структуру, сходную с так называемыми HH объектами. Примечательно, что этот механизм является чисто гидроди намическим, без необходимости привлечения магнитных полей и иных внешних эффектов.

4. Предложено объяснение наблюдающихся в ряде массивных протозвезд ных облаков, содержащих одновременно несколько молодых звездных объектов, квазипараллельных джетов развитием в этих облаках анти циклонических вихрей Россби с последующим формированием в этих вихрях протозвезд из-за развития гравитационной неустойчивости.

Достоверность результатов и выводов диссертации определяется физи ческой обоснованностью используемых моделей и применением при решении поставленных задач строгих математических методов, проверкой согласова ния полученных в работе приближеных аналитических асимптотических ре шений с точными численными решениями в широких диапазонах значений параметров, сравнением результатов линейного анализа с результатами нели нейного моделирования, тщательным тестированием применяемых для этого моделирования численных схем, а также совпадением в частных и предель ных случаях полученных результатов с известными ранее и с даннными на блюдений реальных объектов.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»