Магнитное торможение (астрономия)

Линии магнитного поля вращаются вместе с Солнцем как твердым объектом. Ионизированный материал, переносимый вдоль силовых линий, в какой-то момент $r_{c}$ выйти за пределы линий магнитного поля и тем самым лишить Солнце углового момента.

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

Проблема

Принятая в настоящее время теория эволюции планетной системы утверждает, что система возникла из сжимающегося газового облака. Когда облако сжимается, угловой момент $L$ должно быть сохранено . Любое небольшое чистое вращение облака приведет к увеличению вращения 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 такой степени, что аккрецирующая протозвезда может разрушиться из-за центробежной силы на экваторе.

Таким образом, чтобы избежать такого сценария, скорость вращения необходимо замедлить в течение первых 100 000 лет жизни звезды. Одним из возможных объяснений торможения является взаимодействие магнитного поля протозвезды со звездным ветром. В случае Солнечной системы , когда угловые моменты планет сравниваются с собственными силами Солнца, Солнце имеет менее 1% предполагаемого углового момента. Другими словами, Солнце замедлило свое вращение, а планеты — нет.

Идея магнитного торможения

Ионизированный материал, захваченный силовыми линиями магнитного поля, будет вращаться вместе с Солнцем, как если бы он был твердым телом. Когда материал покидает Солнце из-за солнечного ветра , сильно ионизированный материал будет захватываться силовыми линиями и вращаться с той же угловой скоростью, что и Солнце, даже если он уносится далеко от поверхности Солнца, пока в конечном итоге не ускользнет. . Этот эффект переноса массы далеко от центра Солнца и ее выбрасывания замедляет вращение Солнца. Тот же эффект используется при замедлении вращения вращающегося спутника ; здесь два провода растягивают грузы на расстояние, замедляя вращение спутников, затем провода перерезаются, позволяя грузам улетать в космос и навсегда лишая космический корабль его углового момента .

Теория магнитного торможения

Поскольку ионизированный материал следует линиям магнитного поля Солнца, из-за эффекта замораживания силовых линий в плазме заряженные частицы ощущают силу. $\mathbf {F}$ величины:

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

где $q$ это заряд, $\mathbf {v}$ это скорость и $\mathbf {B}$ – вектор магнитного поля. Это изгибающее действие заставляет частицы « закручиваться » вокруг силовых линий магнитного поля, удерживаясь на месте «магнитным давлением». $P_{B}$, или «плотность энергии», при вращении вместе с Солнцем как твёрдое тело:

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

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

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

где n — количество частиц, m — масса отдельной частицы, а v — лучевая 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, то есть уменьшается по закону обратных квадратов. Таким образом, магнитное поле определяется выражением

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

где $B_{s}$ - магнитное поле на поверхности Солнца и $R$ это его радиус. Критическое расстояние, на котором материал оторвется от силовых линий, может быть рассчитано как расстояние, на котором кинетическое давление и магнитное давление равны, т.е.

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

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

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

Если потеря солнечной массы всенаправлена, то потеря массы $nm={\frac {dM/dt}{4\pi r^{2}v}}$; подставляя это в приведенное выше уравнение и изолируя критический радиус, следует, что

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

Современная стоимость

В настоящее время предполагается, что:

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

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

Количество солнечной массы, которое необходимо выбросить вдоль силовых линий, чтобы Солнце полностью прекратило вращение, можно затем рассчитать, используя конкретный угловой момент:

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

Было высказано предположение, что Солнце потеряло сопоставимое количество материала за время своей жизни.

Ослабленное магнитное торможение

В 2016 году ученые из обсерваторий Карнеги опубликовали исследование, в котором говорится, что звезды на той же стадии жизни, что и Солнце, вращаются быстрее, чем предсказывали теории магнитного торможения. Чтобы вычислить это, они определили темные пятна на поверхности звезд и отслеживали их движение вместе с вращением звезд. Хотя этот метод оказался успешным для измерения вращения более молодых звезд, «ослабленное» магнитное торможение у старых звезд подтвердить труднее, поскольку последние, как известно, имеют меньше звездных пятен. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy в 2021 году, исследователи из Бирмингемского университета использовали другой подход, а именно астеросейсмологию , чтобы подтвердить, что старые звезды действительно вращаются быстрее, чем ожидалось.

См. также

• Крафт-брейк
• Звездное магнитное поле
• Звездное вращение