Дифференциальное вращение

Дифференциальное вращение наблюдается, когда разные части вращающегося объекта движутся с разными угловыми скоростями (или скоростями вращения ) на разных широтах и/или глубинах тела и/или во времени. Это указывает на то, что объект не является жестким . В жидких объектах, таких как аккреционные диски , это приводит к сдвигу . Галактики и протозвезды обычно демонстрируют дифференциальное вращение; примеры Солнечной системы включают Солнце , Юпитер и Сатурн . ^[1]

Примерно в 1610 году Галилео Галилей наблюдал солнечные пятна и рассчитал вращение Солнца . В 1630 году Кристоф Шайнер сообщил, что Солнце имеет разные периоды вращения на полюсах и на экваторе, что хорошо согласуется с современными значениями. ^{[ нужна ссылка ]}

Причина

Звезды и планеты вращаются в первую очередь потому, что сохранение углового момента превращает случайный дрейф частей молекулярного облака , из которого они формируются, во вращательное движение по мере их слияния. Учитывая это среднее вращение всего тела, внутреннее дифференциальное вращение в звездах вызвано конвекцией , которая представляет собой движение массы из-за крутых градиентов температуры от ядра наружу. Эта масса несет в себе часть углового момента звезды, тем самым перераспределяя угловую скорость, возможно, даже достаточно далеко, чтобы звезда потеряла угловую скорость в звездных ветрах . Таким образом, дифференциальное вращение зависит от разницы температур в соседних регионах.

Измерение

Есть много способов измерить и вычислить дифференциальное вращение звезд, чтобы увидеть, имеют ли разные широты разные угловые скорости. Наиболее очевидным является отслеживание пятен на поверхности звезды.

Выполняя гелиосейсмологические измерения солнечных «p-мод», можно вывести дифференциальное вращение. Солнце имеет очень много акустических мод, которые колеблются внутри Солнца одновременно, и инверсия их частот может привести к вращению недр Солнца. Это зависит как от глубины, так и (особенно) от широты.

Уширенная форма линий поглощения в оптическом спектре зависит от v _rot sin(i), где i — угол между лучом зрения и осью вращения, что позволяет изучать лучевую составляющую v _rot вращательной скорости . Это значение рассчитывается на основе преобразований Фурье форм линий с использованием приведенного ниже уравнения (2) для v _rot на экваторе и полюсах. См. также сюжет 2.Дифференциальное вращение Солнца также видно на магнитограммах — изображениях, показывающих силу и расположение солнечных магнитных полей.

Возможно, удастся измерить дифференциал звезд, регулярно испускающих вспышки радиоизлучения. Используя 7 лет наблюдений за ультрахолодным карликом M9 TVLM 513-46546, астрономы смогли измерить тонкие изменения во времени прихода радиоволн. Эти измерения показывают, что радиоволны могут приходить на 1–2 секунды раньше или позже систематически в течение ряда лет. На Солнце активные области являются обычными источниками радиовспышек. Исследователи пришли к выводу, что этот эффект лучше всего объясняется появлением и исчезновением активных областей на разных широтах, например, во время цикла солнечных пятен . ^[2]

Эффекты

Ожидается, что градиенты углового вращения, вызванные перераспределением углового момента внутри конвективных слоев звезды, станут основным фактором генерации крупномасштабного магнитного поля посредством магнитогидродинамических (динамо) механизмов во внешних оболочках. На границе между этими двумя областями градиенты углового вращения самые сильные и, следовательно, ожидается, что динамо-процессы будут наиболее эффективными.

Внутреннее дифференциальное вращение является частью процессов смешивания в звездах, смешивания материалов и тепла/энергии звезд.

Дифференциальное вращение влияет на спектры линий оптического поглощения звезд за счет уширения линий , вызванного разным доплеровским сдвигом линий по поверхности звезды.

Дифференциальное вращение Солнца вызывает сдвиг в так называемом тахоклине. Это область, где вращение меняется от дифференциального в зоне конвекции до почти твердотельного вращения внутри, на расстоянии 0,71 солнечного радиуса от центра.

Уровень поверхности

Для наблюдаемых солнечных пятен дифференциальное вращение можно рассчитать как: $\Omega =\Omega _{0}-\Delta \Omega \sin ^{2}\Psi$ где $\Omega _{0}$ - скорость вращения на экваторе, а $\Delta \Omega =(\Omega _{0}-\Omega _{\mathrm {pole} })$ - это разница угловых скоростей между полюсом и экватором, называемая силой вращательного сдвига. $\Psi$ — гелиографическая широта , отсчитываемая от экватора.

Обратная величина вращательного сдвига ${\frac {2\pi }{\Delta \Omega }}$ — это время круга, то есть время, за которое экватор проходит полный круг больше, чем полюса.
Относительная дифференциальная скорость вращения представляет собой отношение вращательного сдвига к скорости вращения на экваторе: $\alpha ={\frac {\Delta \Omega }{\Omega _{0}}}$
Скорость доплеровского вращения Солнца (измеренная по доплеровски сдвинутым линиям поглощения) можно аппроксимировать как: ${\frac {\Omega }{2\pi }}=(451.5-65.3\cos ^{2}\theta -66.7\cos ^{4}\theta )\,\mathrm {nHz}$ где $θ$ — совместная широта (измеренная от полюсов).

Примеры

Солнце

Внутреннее вращение Солнца, демонстрирующее дифференциальное вращение во внешней конвективной области и почти равномерное вращение в центральной радиационной области.

На Солнце исследование колебаний показало, что вращение примерно постоянно во всей радиационной внутренней части и меняется в зависимости от радиуса и широты внутри конвективной оболочки. Солнце имеет экваториальную скорость вращения ~ 2 км/с; его дифференциальное вращение означает, что угловая скорость уменьшается с увеличением широты. Полюса совершают один оборот каждые 34,3 дня, а экватор - каждые 25,05 дня, если измерять его относительно далеких звезд (сидерическое вращение).

Сильно турбулентный характер солнечной конвекции и анизотропии, вызванные вращением, усложняют динамику моделирования. Масштабы молекулярной диссипации на Солнце как минимум на шесть порядков меньше глубины конвективной оболочки. Прямое численное моделирование солнечной конвекции должно было бы разрешить весь этот диапазон масштабов в каждом из трех измерений. Следовательно, все модели дифференциального вращения Солнца должны включать некоторые аппроксимации относительно переноса импульса и тепла посредством турбулентных движений, которые не рассчитываются явно. Таким образом, в соответствии с аппроксимациями подходы к моделированию можно разделить либо на модели среднего поля, либо на моделирование больших вихрей.

Дисковые галактики

Дисковые галактики вращаются не как твердые тела, а вращаются дифференциально. Скорость вращения как функция радиуса называется кривой вращения и часто интерпретируется как измерение профиля массы галактики следующим образом: $v_{c}(R)={\sqrt {\frac {GM(<R)}{R}}}$ где

$v_{c}(R),$ - скорость вращения на радиусе $R$
$M(<R),$ - это общая масса, заключенная в пределах радиуса $R$

См. также

Ссылки

^ Хэтэуэй, Дэвид Х. (июль 1986 г.). «Магнитные перевороты Юпитера и Сатурна» . Икар . 67 (1): 88–95. Бибкод : 1986Icar...67...88H . дои : 10.1016/0019-1035(86)90177-6 . Проверено 25 апреля 2024 г.
^ Вольщан, А.; Маршрут, М. (10 июня 2014 г.). «Временной анализ периодических радио- и оптических изменений яркости ультрахолодного карлика, TVLM 513-46546». Астрофизический журнал . 788 (1): 23. arXiv : 1404.4682 . Бибкод : 2014ApJ...788...23W . дои : 10.1088/0004-637X/788/1/23 . S2CID 119114679 .

Дальнейшее чтение

Анну. Преподобный Астрон. Астрофиз. 2003. 41: 599–643. doi : 10.1146/annurev.astro.41.011802.094848 « Внутреннее вращение Солнца »
Дэвид Ф. Грей, Звездные фотосферы; Наблюдения и анализ: Третье издание , глава 8, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-85186-2
А. Райнерс, JHMM Шмитт, (2002), О возможности обнаружения дифференциального вращения в профилях поглощения звезд , A&A 384 (1) 155–162 дои : 10.1051/0004-6361:20011801

Внешние ссылки

[1] Хэтэуэй, Дэвид Х. (июль 1986 г.). «Магнитные перевороты Юпитера и Сатурна» . Икар . 67 (1): 88–95. Бибкод : 1986Icar...67...88H . дои : 10.1016/0019-1035(86)90177-6 . Проверено 25 апреля 2024 г.

[2] Вольщан, А.; Маршрут, М. (10 июня 2014 г.). «Временной анализ периодических радио- и оптических изменений яркости ультрахолодного карлика, TVLM 513-46546». Астрофизический журнал . 788 (1): 23. arXiv : 1404.4682 . Бибкод : 2014ApJ...788...23W . дои : 10.1088/0004-637X/788/1/23 . S2CID 119114679 .

[1]

[2]