 |
Астронет: В. В. Мусцевой, и др./Коуровка Аккреционно-струйные системы: история, результаты, перспективы http://variable-stars.ru/db/msg/1202465/node7.html |
Разделы
6. Каскадное развитие «начальный выброс - тор - торнадо - джет» - закономерная эволюция аккреционно-струйной системы
Сравнительно слабые возможности используемых нами компьютеров не позволили нам ранее продлить эксперименты до больших времен, а также учесть в моделировании нагрев и охлаждение высвечиванием. Преодоление этих трудностей привело к ясному осознанию закономерных этапов эволюции аккреционно-струйных систем.
i) Введение и постановка задачи. В данном пункте мы представляем результаты численного нелинейного моделирования процесса ударного расширения оболочки на ранней стадии существования молодой массивной звезды и формирования туманностей, подобных туманности Mz3 «Муравей» (см. [36-38]). Мы предполагаем, что формирование туманностей типа Mz3 начинается, когда в молодом звездном объекте из-за «включения» термоядерных реакций скачком увеличиваются давление и температура и происходит выброс порции вещества в окружающее звезду газовое облако. В силу наличия околозвездного тора выброс распространяется в направлении оси симметрии системы. Этот сверхзвуковой выброс создает мощную ударную волну в окружающей зародыш звезды среде.
Рассмотрение проводим в сферической системе координат. Среду моделируем идеальным газом. Полагаем гравитационное поле сферически симметричным, с центром, совпадающим с началом координат. Таким образом, гравитационным воздействием околозвездного диска пренебрегаем. Учитываем возможность охлаждения газа высвечиванием и его нагрева внешним излучением.
Радиальные зависимости равновесных параметров системы имеют степенной вид:
- давление; 
- плотность;
-
внутренняя энергия газа. Функция охлаждения из работ [28, 39]
аппроксимировалась сплайнами.
Поставленная задача решалась методом численного моделирования по
схеме TVD. Нами было проделано более двадцати серий моделирования,
различающихся параметрами начального выброса. Моделирование
проводилось в плоскости 
сферической системы координат, и
предполагалось, что модель симметрична относительно оси симметрии,
а в половине серий экспериментов, кроме того, что модель
симметрична еще и относительно плоскости диска. Распределение
радиальной скорости начального выброса по 
-координате
задавалось в виде гиперболического косинуса либо функции Гаусса.
На рисунках и слайдах во время доклада мы приводим наиболее
характерные результаты для всех проведенных серий численных
экспериментов, показывая векторное поле скоростей, угловую
скорость вращения и плотность вещества в реальных пространственных
координатах в разрезе, проходящем через ось симметрии системы.
ii) Обсуждение результатов. Структура течений внутри оболочки, образованной ударной волной, является очень сложной. Наряду с прошедшей в околозвездный диск и отраженной внутрь оболочки ударными волнами присутствует также иерархическая структура короткоживущих и долгоживущих вихрей, отражающих тенденцию к турбулизации вещества. Остановимся, поэтому, на наиболее существенных моментах, проливающих свет на причины формирования наблюдаемых туманностей.
Прежде всего на основании двух десятков серий экспериментов можно утверждать, что эволюция течений внутри оболочки подразделяется на три характерных и закономерных этапа.
I. На первом этапе вещество первоначального выброса,
обладающее значительно более высоким давлением, чем в окружающей
его среде, и уже создавшее ударную оболочку, начинает расширяться
по широтному углу, обтекая эту плотную оболочку, из-за чего
приобретает угловой момент, ориентированный по
-координате (рис. 2,a).
II. На втором этапе, хотя оболочка уже распространилась далее по радиусу, указанное вещество, приобретшее угловой момент, образует торообразный вихрь (рис. 2,b). Этот долгоживущий вихрь формируется внутри оболочки над самой внутренней частью диска. Внутренняя поверхность вихря образует сопло Лаваля (конфигурация конфузор-диффузор), и именно в нем происходит ускорение газа до сверхзвуковых скоростей.
Важно отметить, что движение ускоряемого газа и вращающегося вещества в вихре сонаправлены, из-за чего градиент скорости от сопла к вращающемуся газу мал, поэтому такая конфигурация не размывается неустойчивостью Кельвина - Гельмгольца.
В результате этого процесса во всех указанных сериях экспериментов внутри оболочки формируется узкая сверхзвуковая вращающаяся струя, образованная из вещества диска, затягиваемого внутрь оболочки торообразным вихрем. Именно с формированием таких сверхзвуковых струй мы связываем заострение головной части (а в последующем - грушевидную форму) оболочек.
Струя догоняет оболочку, вторгаясь в ее газ, создает внутреннюю ударную волну, передает энергию головной части оболочки и ускоряет ее.
III. На третьем этапе выброшенное через сопло Лаваля вращающееся вещество струи под действием центробежной силы оттекает от оси симметрии тем дальше, чем дальше оно от центра симметрии системы. В результате оно образует смерчеподобную воронку вокруг оси симметрии, и эта воронка, в свою очередь, затягивает вещество и выбрасывает его в сторону оболочки (эффект торнадо). Существенно, что это выброшенное смерчем вещество диска «надстраивает» воронку. Таким образом, описанное течение является самоподдерживающимся. Поэтому, хотя к этому времени торообразный вихрь уже распадается, генерация струи продолжалась во всех сериях экспериментов до конца моделирования.
Крайне важно, что описанный гидродинамический механизм формирования струй посредством развития каскада «выброс - тор - торнадо» основывается исключительно на выполнении закона сохранения момента импульса и поэтому должен иметь место для любых аккреционно-струйных систем. Наличие же других дополнительных факторов - магнитные поля и т. д. - способно его модифицировать, но не устранить.
Достаточно интересным эффектом является и наблюдавшийся в сериях с односторонним выбросом прогиб аккреционного диска и его смещение вдоль оси симметрии в направлении, противоположном начальному выбросу. Этот эффект обусловлен, очевидно, импульсом, передаваемым веществу диска прошедшей в него ударной волной, создаваемой ударной волной оболочки. Во внутренней околозвездной области в данной ситуации, напротив, основная доля вещества диска затягивается в оболочку в направлении начального выброса, из-за чего в реальных объектах должен резко уменьшаться темп аккреции. Вероятно, аналогичный эффект будет наблюдаться и не при одностороннем, а вообще, при несимметричном выбросе.
Сильно вытянутая форма оболочки, наблюдавшаяся во всех сериях на больших временах, очень напоминает морфологию головных ударных волн в молодых звездных объектах с джетами (таких, как, например, НН1/НН2). Вероятно, именно так эти объекты и образуются на более поздних, чем рассмотренные нами, стадиях эволюции молодой звезды.
В результате этого процесса происходит значительный разогрев головной части оболочки. Поскольку давление в этой части и окружающих ее областях достаточно быстро выравнивается, плотность в головной части оболочки соответственно значительно уменьшается, что визуально на рисунках воспринимается как тенденция к прорыву оболочки. Однако, как показывает наше моделирование, такого прорыва не происходит даже на очень больших временах.
В случае одностороннего выброса и тонкого диска ударная волна проходит через околозвездный диск и создает ударную волну - оболочку - в противоположной относительно начального выброса полусфере. Форма этой оболочки несколько иная (практически параболическая). Как представляется, некоторые несимметричные туманности могут возникать именно таким образом.
iii) Основные выводы. Проведенный нами анализ позволяет сделать следующие выводы:
1. Результаты численного моделирования однозначно свидетельствуют о том, что в струю попадает вещество диска, обладающее угловым моментом.
2. Если в силу некоторых причин происходит не биполярный, а односторонний выброс вещества, то вызванная им ударная волна проходит через диск и формирует ударную волну (оболочку) с другой стороны диска.
3. Закономерностью при высоких начальных скоростях выброса является значительное удлинение головной части оболочки, что является характерным для многих молодых звездных объектов.
4. Численное моделирование показывает, что закономерностью является то, что формирование струи обусловлено наличием долгоживущего торообразного вихря, в котором происходит вращение газа как вдоль средней линии тора, так и вокруг нее.
5. Закономерностью является образование провала плотности на фронте оболочки между ее головной частью и остальными частями оболочки.
6. Филаменты (светящиеся газовые волокна) могут быть обусловлены неоднородностью рассеяния или поглощения излучения центральной звезды на газопылевой оболочке головной ударной волны из-за неоднородности распределения плотности на фронте оболочки (см. тез. Севостьянова в настоящем сборнике).
6.1. Нерешенные прблемы
Здесь мы приводим круг вопросов (и соответственно задач) логически вытекающих из результатов наших предыдущих исследований, которые мы планируем разрешить в ближайшем будущем.
1. Что происходит с оболочкой, струей и излучающими узлами, когда ударная оболочка выходит за край околозвездного диска?
2. Как поведет себя обусловленная эффектом «торнадо» (явно неравновесная по давлению) струя, если возбуждать ее малыми возмущениями?
3. Интуитивно понятно, что при включении термоядерных реакций из-за коллимации околозвездным тором (не говоря уже о возможном влиянии дипольного магнитного поля ядра) просто обязан произойти биполярный сверхзвуковой выброс вещества. Как это посчитать в достаточно корректной постановке?
4. Необходимы расчеты обсуждаемой стадии эволюции аккреционно-струйных систем, отличных от молодых звездных объектов. В частности, это пролило бы свет на причины формирования наблюдаемой морфологии SS-433 и радиоджетов и конусов ионизации в окрестностях активных ядер галактик.
Завершая обсуждение, следует сделать вывод об однозначной необходимости рассмотрения самосогласованных моделей аккреционно-струйных систем, поскольку исключение из рассмотрения хотя бы одной компоненты системы радикально изменяет всю физическую картину ее эволюции.
Храпов С. С. признателен администрации Волгоградского госуниверситета за предоставленный грант молодых ученых 08-2003-A/ВолГУ.
<< 5. Эруптивные выбросы как | Оглавление | Литература >>