Использования метода уравнения Грэда - Шафранова для анализа астрофизических течений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

1 Введение

2 Основные уравнения

3 К механизму Блэндфорда-Знаека потерь энергии вращающейся черной дырой

3.1 Введение.

3.2 Течение с преобладающим потоком энергии частиц. Точное решение

3.3 Течение с доминирующим потоком электромагнитной энергии

3.2 Течение с преобладающим потоком энергии частиц. Точное решение. 28

3.3 Течение с доминирующим потокомэлектромагнитной энергии.373.4 Заключение.484 К непрерывности МГД течений вблизи особых точек 504.1 Введение.504.2 Основные уравнения.524.3 Бифуркация характеристик.554.4 Гидродинамическое течение.594.5 Магнитогидродинамическое течение.644.6 Заключение.675 К внутренней структуре нерелятивистского цилиндрического струйного выброса 695.1 Введение.695.2 Асимптотическая структура струйного выброса.715.2.1 Основные уравнения.715.2.2 Метод разрешения.735.3 Модель холодного джета для протозвезды.765.4 До-Альфвеновское течение.825.5 Сверх-Альфвеновское течение.895.6 Транс-Альвеновское течение.925.7 Астрофизические приложения и обсуждение.966 Уравнение Грэда-Шафранова с анизотропным давлением 996.1 Введение.99

7 Заключение

Рассмотрены несколько новых задач, связанных с применением уравнения ГШ к различным астрофизическим объектам.

1. В первой задаче, связанной с обоснованием применения процесса Блэндфорда- Знаека к магнитосфере черной дыры, показано, что:

1) Невозможно рассматривать соотношение (35) как граничное условие. В рассматриваемом случае конечной массы частиц, это соотношение справедливо для любого решения уравнения Грэда-Шафранова, которое может быть продолжено до горизонта. В реальности мы не знаем магнитный поток Ф(гн, в) на горизонте (он должен быть найден как решение задачи), так что в общем случае соотношение (35) не дает нам связи между током I и угловой скоростью Ор

2) Для конечной массы частиц очень близко от горизонта существует гиперболическая область потокового уравнения, которая отсутствует в бессиловом приближении. Следовательно, для потокового уравнения не нужны граничные условия на горизонте.

3) Нельзя говорить, что поверхностный электрический ток приводит к торможению черной дыры. Поверхостные электрические токи (37), также как поверхностные электрические заряды он (36) не физичны и не могут действовать на поверхность черной дыры. Они только дают удобный способ описания отрицательной энергии падающей под горизонт черной дыры.

Следовательно, механизм Блэндфорда-Знаека выделения электромагнитной энергии вращающейся черной дырой не имеет проблем в связи с причинным разрывом между горизонтом событий и внешней магнитосферой. В частности, для дважды трансзвукового течения величины продольного электрического тока / и угловой скорости (и следовательно потери энергии должны определяться физическими параметрами в области рождения пар и критическими условиями на особых поверхностях, находящихся в причинном контакте друг с другом.

2. Рассмотрено течение в гидродинамическом и МГД пределах вблизи особой точки - точки касания звуковой и сепаратрисной поверхностей. Показано, что течение остается непрерывным в момент бифуркации характеристик в обоих слачаях, но, в принципе, может стать разрывным при дальнейшем искажении течения. Однако, для этого форма звуковой поверхности должна уже сильно отличаться от сферической. Полученный результат может служить объяснением неустойчивости, наблюдаемой в работе [57]. С другой стороны, непрерывность процедуры определения параметров течения при параметре а = —1/8 показывает, что резкое изменение положения сепаратрисной характеристики (разделяющей причинно несвязанные области) не влияет на количество граничных условий, необходимое для определения структуры течения.

3. В задаче о внутренней структуре нерелятивистского струйного выброса показано, что течение саб-Альфвеновское при больших внешних полях, которые намного превышают реальные поля в этих объектах. Течение, которое везде супер-Альфвеновское с так называемой структурой с кором, возможно только при нулевом внешнем поле. Оба эти случая не могут быть реализованы в реальных объектах.

Мы видим, что несмотря на то, что точная осесимметричная стационарная модель не может быть построена, наш анализ дает разумные количественные предсказания основных параметров нерелятивистских струйных выбросов. Наша модель предсказывает:

1) присутствие дозвукового кора,

2) сильно винтовая структура магнитного поля и поля скоростей в области кора джета, и

3) электрический ток замыкается внутри джета.

Действительно, эти предсказания могут быть подтверждены наблюдениями. В частности, как уже было замечено, существование дозвукового кора может быть связано с ударными волнами в области образования джета.

4. Выведены общие уравнения, описывающие осесимметричные стационарные идеальные МГД течения с анизотропным давлением, включая уравнение ГШ, отдельно для нерелятивистского и релятивистского случаев. Представлены результаты нашего предварительного анализа эффектов анизотропного давления.

Благодарности: В заключении хочется выразить благодарность моему научному руководителю Бескину Василию Семеновичу за его мудрое руководство и понимание. Автор благодарит С.А. Ламзина за плодотворные дискуссии. Спасибо также моему мужу И.Д. Малееву за поддержку.

1. Bondi Н, Hoyle F Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 104 273 (1944)

2. Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков, Релятивистская астрофизика, Наука, Москва (1967)

3. С. Шапиро, С. Тьюколски Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды, Т. 1,2. Мир, Москва (1985).

4. Ardavan Н, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 189 397 (1979)

5. Michel F С Theory of Neutron Star Magnetosphere (Chicago: The University of Chicago Press, 1991)

6. Beskin V S, Gurevich A V, Istomin Ya N, Physics of the Pulsar Magnetosphere (Cambridge: Cambridge University Press, 1993)

7. Боговалов С В Письма в АЖ18 832 (1992)

8. Parker Е N Astrophys. J. 128 664(1958)

9. Okamoto I, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 173, 357 (1975)

10. Heinemann M & Olbert S J. Geophys. Res. 83 2457 (1978)

11. Heyvaerts J, Norman С Astrophys. J. 347 1055 (1989)

12. Бисноватый Коган Г С Физические вопросы звездной эволюции (М.: Наука, 1989)

13. Михалас Д Звездные атмосферы (М.: Мир)

14. Lada С J Ann. Rev. Astron. Astroph. 23 267 (1985)

15. Phinney E S Astrophysical Jets (Eds A Ferrari, A G Pacholczyk) (Dordrecht: D Reidel, 1983)

16. Бегелман М К, Блендфорд Р Д, Рис М Дж Физика внегалактических источников излучения (Под ред. Р Д Дагкесаманского) (М.: Мир, 1987)

17. Торн К, Прайс Р, Макдональд Д Черные Дыры. Мембранный подход (М.: Мир)

18. Mobarry С М, Lovelace R V Е, Astrophys. J. 309 455 (1986)

19. Camenzind М Astron. Astrophys. 162 32 (1986)

20. Punsly В, Coroniti F V, Astrophys. J. 350 518 (1990)

21. Takahashi M et al. Astrophys. J. 363 260 (1990)

22. Weber E J, Davis L (Jr) Astrophys. J. 148 217 (1967)

23. Michel F C, Astrophys. J. 158 727 (1978)

24. R.D. Blandford, D.G. Payne, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 199, 883 (1982).

25. B.C. Low, K. Tsynganos, Astrophys. J. 302, 163 (1986).

26. Г.С.Бисноватый-Коган, Я.М.Каждан, А.А.Клыпин и др., Астр оном. журн. 56, 359 (1979).

27. K.Tsinganos, C.Sauty, Astron. Astrophys. 255, 405 (1992).

28. R.V.E. Lovelace, J.C.L Wang, M.E.Sulkanen Astrophys. J. 315, 504 (1987).

29. J.F Hawley, L.L Smarr, J.R Wilson, Astrophys. J. 277, 296 (1984).

30. G.W. Pneuman, R.A.KoppSolar Phys. 18, 258 (1971).

31. Zh.-Yu Li, T.Chuen, M.C. Begelman, Astrophys. J. 394, 459 (1992).

32. R.Hunt, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 198, 83 (1979).

33. L.I.Petrich, S.Shapiro, R.F.Stark, S.Teukolsky, Astrophys. J. 336, 313 (1989)

34. M. Ruffert, D.Arnett Astrophys. J. 427, 351 (1994)

35. X.Cao, H.C Spruit, Astron. Astrophys. 287, 80 (1994)

36. Шафранов В Д ЖЭТФ 33 710 (1957)

37. Grad H Rev. Mod. Phys. 32 830 (1960)

38. Соловьев JI С Вопросы теории плазмы Т.3 (Под ред. М. А. Леонто-вича)(М.: Атомиздат, 1963)

39. Blandford R, Znajek R L Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 179 433 (1977)

40. Leer L & Axford W I Sol. Phys. 23 238 (1972)

41. Hu Y Q, Esser R, & Habbal S R J Geophys. Res. 102, 14661 (1997)

42. Бескин В С, Пидопрыгора Ю Н ЖЭТФ 107 1025 (1995)

43. Бескин В С, Малышкин Л М Письма в АЖ22 532 (1996)

44. Beskin V S, Kuznetsova I V, к Rafikov R R Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 299, 341 (1998)

45. Бескин В С, Оеесимметричные стационарные течения в астрофизике (Москва, 2004)

46. Бескин В С УФН167 689 (1997)

47. Reipurth В, Bally J Ann. Rev. Astron. Astrophys. 39 403 (2001)

48. Ustyugova G V, Lovelace R V E, Romanova M M, Li H, Colgate S A Astrophys. J 541 L21 (2000)

49. Lynden-Bell D Mon. Not. Astron. Soc. 341 1360 (2003)

50. Königl A Astrophys. J617 1267 (2004)

51. Camenzind M, it Mem S.A.It. 76 98 (2005)

52. Pelletier G, Pudritz R, Astrophys. J., 394 117 (1992)

53. Sauty C, Tsinganos K, Astron. Astrophys. 287 893 (1994)

54. Shu F H, Najita J, Wilkin F, Rüden S P, Lizano S, Astrophys. J. 429 781 (1994)

55. Uchida Y, Shibata K, PASJ 37 515 (1985)

56. Sakurai T, Computer Phys. Rep. 12 247 (1990)

57. Bogovalov S V, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 280 39 (1996)

58. Ouyed R, Pudritz R, Astroph. J. 482 712 (1997)

59. Ustyugova G V, Koldoba A V, Romanova M M, Chechetkin V Щ Lovelace R V E, Astrophys. J. 516, 221 (1999)

60. Blandford R D, in Active Galactic Nuclei (1993) Eds R.Blandford, H.Netzer, and L.Woltier, Springer, Berlin

61. Nitta S, Takahashi M, Tomimatsu A, Phys. Rev. D 44 2295 (1991)

62. Вескин В С, Парьев В И УФЕ163 95 (1993)

63. К.Г. Гудерлей, Теория околозвуковых течений. Изд. иностранной литературы, Москва (1960)

64. Р.Мизес,Математическая теория течений сжимаемой жидкости, Изд. иностранной литературы, Москва (1961).

65. Ф.И. Франкль, Избранные труды по газовой динамике, Наука, Москва (1973).

66. М.М. Смирнов, Уравнения смешанного типа, Наука, Москва (1970).

67. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц,Гидродинамика, Наука, Москва (1986).

68. Appl.S, Camenzind М, Astron. Astrophys. 256 354 (1992)

69. Appl S, Camenzind M, Astron. Astrophys. 274, 699 (1993)

70. Begelman M C, Proc. Nat Acad. Sci. USA-.92 11442 (1995)

71. Lery T, Heyvaerts J, Appl S, Norman С A, Astron. Astrophys. 347 1055 (1999)

72. Marsch E, et al. J. Geophys. Res. 87 52 (1982)

73. Beskin V S, Kuznetsova I V, Nuovo Cimento В 115 795 (2000);

74. Бескин В С, Кузнецова И В, ЖЭТФ 86 421 (1998)

75. B.C. Бескин, И.В.Кузнецова, Л.М. Малышкин, сб. "Астрофизика на рубеже веков", ред. Н.С.Кардашев, Р.Д.Дагкесаманский, Ю.А.Ковалев, ЯНУС-К:М, сс.342-349 (2001)

76. Beskin V S, Kuznetsova I V, Astrophys. J. 541 257 (2000)

77. Kuznetsova I V, Astrophys. J. 618 432 (2005)

78. Contopoulos J, Lovelace R V E, Astrophys. J. 429 139 (1994)

79. Chiueh T, Li Z, Begelman M C, Astrophys. J. 377 462 (1991)

80. Istomin Ya N, Pariev V I, MNRAS 281 1 (1996)

81. Beskin V S, Malyshkin L M Astron. Letters, 26, 208 (2000)

82. Asseo Е к Beaufils D Ap&SS 89 133 (1983)

83. Tsikarishvili, E.G., Rogava, A.D., Tsikauri, D.G. 1995, Astr. J, 439, 822

84. Tsikarishvili E G, Lominadze J G, Rogava A D, Javakhishvili J I, Phys.Rev. 46 107 (1992)

85. Nötzel A, Schindler К, Birn J., J. Geophys. Res. 90, 8293 (1985)

86. Lovelace R V E, Mehanian, Mobarry, Sulkanen, Astrophys. J. 62, 1 (1986)

87. Новиков И Д, Флоров В П Физика черных дыр (М.: Наука, 1986)

88. Альвен Г, Фельтхаммар К-Г Космическая электродинамика (М.: Мир, 1967)

89. Ахиезер и др. Электродинамика плазмы (М. Наука, 1974)

90. Beskin V S, Gurevich А V, Istomin Ya N Physics of the Pulsar Magnetosphere (Cambridge University Press, Cambridge) (1993)

91. Macdonald D A Thorne К S Mon. Not Roy. Astron. Soc. 198 345 (1982).

92. Punsly В., Coroniti F.V. Astrophys. J. 354 583 (1990).

93. Camenzind M, Khanna R Astron. Astrophys. 307665 (1996);

94. Brandenburg A Astrophys. J. 465 LI 15 (1996);

95. Khanna R Mon. Not. Roy. Astron. Sos 295 L6 (1998);

96. Tomimatsu A Astrophys. J. 528 972 (2000).

97. Okamoto I Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 254 192(1992).

98. Moderski R; Sikora M, Lasota J.-P. Mon. Not Roy. Astron. Soc. 301 142 (1998)

99. Ghosh P, Abramowicz M A Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 292 887 (1997)

100. Livio M, Ogilvie G I, Pringle J E Astrophys. J. 512 100 (1999).

101. Takahashi M, Nitta S, Tatematsu Ya Tomimatsu A Astrophys. J. 363 206 (1990).

102. Swensson R Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 209 175 (1989).

103. Beskin V S, Istomin Ya N, Pariev V I Extragalactic Radio Sources — From Beams to Jets edited by Roland J., Sol H. Pelletier G. (Cambridge University Press, Cambridge) 1992, pp. 45-50.

104. Hirotani K, Okamoto I Astrophys. J. 497 563 (1998).

105. Cheng K S, Ho C, Ruderman M A Astrophys. J.300 500 (1986).

106. Beskin V S, Istomin Ya N, Pariev V I Soviet Astron. 36 642 (1992).

107. Tomimatsu A Proc. Astron. Soc. Japan 46 123 (1994).

108. Michel F C Astrophys. J. 158 727 (1969)

109. Hirotani K, Takahashi M, Nitta S, Tomimatsu A Astrophys. J. 386 455 (1996).

110. Michel F C Astrophys. J: 180 207 (1973);

111. Mestel L, Wang Y M Mon. Not. Roy. Astrn. Soc. 188 799 (1979);

112. Beskin V S, Gurevich A V, Istomin Ya N Soviet Phys. JETP 58 235 (1983).

113. Sulkanen M E, Lovelace R V E Astrophys. J. 350 732 (1990)

114. Michel F C Astrophys. J. 180 L133 (1973).

115. Punsly B, Coroniti F V Astrophys. J. 354 583 (1990).

116. Beskin V S, RafikovR R Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 313 433 (2000).

117. V.I.Pariev, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 283 1264 (1996).

118. Livio M., 1998, Accretion Phenomena and Related Outflows, Eds. D.T.Wick-ramasinghe, G.V.Bicknell, and L. Ferrario, Astronomical Society, p. 845

119. Eichler D., Astrophys. J. 419 111 (1993)

120. Bogovalov S.V., Astron. Lett. 21 565 (1995)

121. Ferreira J, Astron. Astrophys., 319 340 (1997)

122. Breitmoser E, Camenzind M, Astron. Astrophys. 361 207 (2000)

123. Ray T.P., Muxlow T.W.B., Axon D.J. et a 1 Nature 385 415 (1997)

124. Bacciotti F, Chiuderi C, Oliva E Astron. Astrophys. 296 185 (1995)

125. Bacciotti F, Eisloffel J Astron. Astrophys. 342, 717 (1999)

126. Camenzind M., 1997, Herbig-Haro Flows and the Birth of Low Mass Stars, Eds B.Reipurth and C.Bertout, Kluwer Acad. Publ. p. 241

127. Heyvaerts J., Plasma Astrophysics (1996)

128. Kennel, C.F., Fujimura, F.S., Okamoto, I. 1983, Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics, 26, 147

129. Paatz, G., Camenzind, M. Astron. Astrophys. 313 591 (1996)

130. Chew, G.F., Goldberger, M.L., Low, F.E. Proc. Roy. Soc. London A 236, 112 (1956)

131. Tan, M., & Abraham, B. 1972, Cosmic Electrodynamics., 3, 71

132. Bondi, H. MNRAS, 112, 195 (1952)

133. Denton R E, Anderson B J, Gary S P, Fuselier S A J. Geophys. Res. 99 11225 (1994)

134. Clemmow, P.C., Dougherty, J.P., Electrodynamics of Particles and Plasmas, (Reading: Addisson-Wesley Publ. C.), 385 (1969)

135. Lichnerowicz, A., Relativistic Hydrodynamics and Magneto dynamics (New York: Benjamin) (1967)

136. Tsikarishvili, E.G., Lominadze, J.G., Rogava, A.D. Physical Rew. 46 2 (1992)

137. Sen Gupta N D Phys. letters 32A 103 (1970)