Дифференциальное вращение

редактировать

Дифференциальное вращение отображается, когда разные части вращения объект перемещается с разными угловыми скоростями (скоростью вращения ) на разных широтах и / или глубинах тела и / или во времени. Это указывает на то, что объект не твердый. В жидких объектах, таких как аккреционные диски, это приводит к сдвигу. Галактики и протозвезды обычно показывают дифференциальное вращение; Примеры в Солнечной системе включают Солнце, Юпитер и Сатурн.

Около 1610 года Галилео Галилей наблюдал солнечных пятен и вычислено 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.

Содержание

1 Причина дифференциального вращения
2 Измерение дифференциального вращения
3 Эффект дифференциального вращения
4 Поверхностное дифференциальное вращение
5 Дифференциальное вращение Солнца
6 Дифференциальное вращение Млечного Пути
7 См. Также
8 Ссылки
9 Дополнительная литература
10 Внешние ссылки

Причина дифференциального вращения

Звезды и планеты вращаются в первую очередь потому, что сохранение углового момента поворачивает случайное смещение частей молекулярное облако, из которого они формируются, во вращательное движение, когда они сливаются. Учитывая это среднее вращение всего тела, внутреннее дифференциальное вращение вызвано конвекцией в звездах, которая представляет собой движение массы из-за крутых градиентов температуры от ядра наружу. Эта масса несет часть углового момента звезды, таким образом перераспределяя угловую скорость, возможно, даже достаточно далеко, чтобы звезда потеряла угловую скорость в звездном ветре. Таким образом, дифференциальное вращение зависит от разницы температур в соседних регионах.

Измерение дифференциального вращения

Существует множество способов измерения и расчета дифференциального вращения 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 одновременно, и инверсия их частот может вызвать вращение внутренних частей Солнца. Это зависит как от глубины, так и (особенно) от широты.

Уширенные формы линий поглощения в оптическом спектре зависят от v rot sin (i), где i - угол между лучом зрения и осью вращения, что позволяет изучать составляющая прямой видимости скорости вращения v rot. Это вычисляется на основе преобразований Фурье форм линий с использованием уравнения (2) ниже для v rot на экваторе и полюсах. См. Также график 2. Дифференциальное вращение Солнца также видно на магнитограммах, изображениях, показывающих силу и расположение солнечных магнитных полей.

Возможно, удастся измерить разницу между звездами, которые регулярно испускают вспышки радиоизлучения. Используя 7 лет наблюдений за ультрахолодным карликом M9 TVLM 513-46546, астрономы смогли измерить незначительные изменения во времени прихода радиоволн. Эти измерения демонстрируют, что радиоволны могут приходить на 1-2 секунды раньше или позже систематическим образом в течение ряда лет. На Солнце активные области - частые источники радиовспышек. Исследователи пришли к выводу, что этот эффект лучше всего объясняется появлением и исчезновением активных областей на разных широтах, например, во время солнечного цикла солнечных пятен.

Эффекты дифференциального вращения

Градиенты углового вращения, вызванные угловым вращением. Ожидается, что перераспределение импульса в конвективных слоях звезды будет основным двигателем для генерации крупномасштабного магнитного поля посредством магнитогидродинамических (динамо) механизмов во внешних оболочках. Граница между этими двумя областями - это место, где градиенты углового вращения наиболее сильны и, следовательно, ожидается, что процессы динамо будут наиболее эффективными.

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

Дифференциальное вращение влияет на спектры оптических линий поглощения звезд через уширение линий, вызванное различным смещением по доплеровскому сдвигу по поверхности звезды.

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

Поверхностное дифференциальное вращение

Для наблюдаемых солнечных пятен дифференциальное вращение можно рассчитать как:

Ω = Ω 0 - Δ Ω sin 2 ⁡ Ψ {\ displaystyle \ Omega = \ Omega _ {0} - \ Delta \ Omega \ sin ^ {2} \ Psi}

\ Omega = \ Omega _ {{0}} - \ Delta \ Omega \ грех ^ {{2}} \ Psi

где $Ω 0 {\ displaystyle \ Omega _ {0}}$ $\ Omega _ {0}$ - скорость вращения на экваторе, и $Δ Ω = (Ω 0 - полюс Ω) {\ displaystyle \ Delta \ Omega = (\ Omega _ {0} - \ Omega _ {\ mathrm {pole}})}$ $\ Delta \ Omega = (\ Omega _ {{0}} - \ Omega _ {{\ mathrm {pole}}})$ разница в угловой скорости между полюсом и экватором, называемая силой сдвига вращения. $Ψ {\ displaystyle \ Psi}$ $\ Psi$ - гелиографическая широта, отсчитываемая от экватора.

величина, обратная вращательному сдвигу $2 π Δ Ω {\ displaystyle {\ frac {2 \ pi} {\ Delta \ Omega}}}$ ${\ frac {2 \ pi} {\ Delta \ Omega }}$ - это время круга, т. Е. Время, Для того, чтобы экватор сделал полный круг больше, чем полюсов.
Относительная дифференциальная скорость вращения - это отношение сдвига при вращении к скорости вращения на экваторе:

α = Δ Ω Ω 0 { \ displaystyle \ alpha = {\ frac {\ Delta \ Omega} {\ Omega _ {0}}}}

\ alpha = {\ frac {\ Delta \ Omega} {\ Omega _ {{0}}}}

Скорость доплеровского вращения на Солнце (измеренная по линиям поглощения с доплеровским смещением) может быть приблизительно выражена как:

Ом 2 π = (451,5 - 65,3 cos 2 ⁡ θ - 66,7 cos 4 ⁡ θ) {\ displaystyle {\ frac {\ Omega} {2 \ pi}} = (451,5-65,3 \ cos ^ {2} \ theta -66,7 \ cos ^ {4} \ theta)}

{\ displaystyle {\ frac {\ Omega} {2 \ pi}} = (451,5-65,3 \ cos ^ {2} \ theta -66,7 \ cos ^ { 4} \ t heta)}

nHz

, где θ - совместная широта (измеренная от полюсов).

Дифференциальное вращение Солнца

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

На Солнце исследование колебаний показало это вращение примерно постоянное во всей радиационной внутренней части и переменное 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 одно вращение каждые 34,3 дня, а экватор - каждые 25,05 дня, как измерено относительно далеких звезд (сидерическое вращение).

Сильно турбулентный характер солнечной конвекции и анизотропии, вызванной вращением, усложняют динамику моделирования. Масштабы диссипации молекул на Солнце по крайней мере на шесть порядков меньше глубины конвективной оболочки. Прямое численное моделирование солнечной конвекции должно разрешить весь этот диапазон масштабов в каждом из трех измерений. Следовательно, все модели солнечного дифференциального вращения должны включать некоторые приближения, касающиеся переноса количества движения и тепла турбулентными движениями, которые явно не вычисляются. Таким образом, подходы к моделированию можно разделить на модели среднего поля или моделирование крупных вихрей в соответствии с приближениями.

Дифференциальное вращение Млечного Пути

Дисковые галактики не вращаются как твердые тела, а вращаются дифференцированно. Скорость вращения как функция радиуса называется кривой вращения и часто интерпретируется как измерение профиля массы галактики, как:

vc (R) = GM (< R) R {\displaystyle v_{c}(R)={\sqrt {\frac {GM(

{\ displaystyle v_ {c} (R) = {\ sqrt {\ frac {GM (<R)} {R}}}}

где

$vc ( R), {\ displaystyle v_ {c} (R),}$ $v_ {c} (R),$ - скорость вращения на радиусе $R {\ displaystyle R}$ $R$
$M (< R), {\displaystyle M($ $M (<R),$ - общая масса, заключенная в радиус $R {\ displaystyle R}$ $R$

См. также

Ссылки

^Wolszczan, A. ; Route, M. (10 июня 2014 г.). «Временной анализ периодических изменений радио- и оптической яркости сверххолодного карлика, TVLM 513-46546». The Astrophysical Journal. 788 : 23. arXiv : 1404.4682. Bibcode : 2014ApJ... 788... 23W. doi : 10.1088 / 0004-637X / 788/1/23.

Дополнительная литература

Annu. Rev. Astron. Astrophys. 2003. 41: 599–643 doi : 10.1146 / annurev.astro.41.011802.094848 «Внутреннее вращение Солнца»
Дэвид Ф. Серые, звездные фотосферы; Наблюдения и анализ: Третье издание, глава 8, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-85186-2
A. Reiners, JHMM Schmitt, (2002), О возможности обнаружения дифференциального вращения в профилях поглощения звезд, AA 384 (1) 155–162 doi : 10.1051 / 0004-6361: 20011801