Диссертация (1103913), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ïîñòðîåíà ìîäåëü äëÿ ãàëàêòè÷åñêîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ðàñøèðÿþùåìñÿ äèñêå. Ïîêàçàíî, ÷òî ìàãíèòíîå ïîëå, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùåå çíà÷åíèåìåæãàëàêòè÷åñêîãî ôîíà 10−15 Ãñ, ïðèñóòñòâóåò â òîì ÷èñëå è íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ äî öåíòðà ãàëàêòèêè. Ìåõàíèçì âîçíèêíîâåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ îáó6ñëîâëåí â ïåðâóþ î÷åðåäü íå ãåíåðàöèåé ïîëÿ in situ âî âíåøíèõ îáëàñòÿõ, àðàñïðîñòðàíåíèåì íåëèíåéíîé âîëíû èç öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé. Ýòîò ïðîöåññïî ñìûñëó áëèçîê ýôôåêòó Êîëìîãîðîâà Ïåòðîâñêîãî Ïèñêóíîâà, õàðàêòåðíîìó äëÿ ïàðàáîëè÷åñêèõ óðàâíåíèé.3. Ïîñòðîåíà ïðîñòðàíñòâåííî-íåîäíîðîäíàÿ ìîäåëü äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ âðàìêàõ ïëàíàðíîãî ïðèáëèæåíèÿ ñ ó÷åòîì ïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè.
Ïðîâåäåíîñðàâíåíèå ïîëó÷àåìûõ ðåçóëüòàòîâ êàê ñ òåì, ÷òî äàåò ìîäåëü áåç ó÷åòà ïîòîêîâñïèðàëüíîñòè, òàê è ìîäåëü ñ ó÷åòîì ïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè äëÿ óñðåäíåííûõçíà÷åíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïîêàçàíî, ÷òî ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîäåëüþ áåç ó÷åòàïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè âîçìîæíû îñöèëëÿöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ âîêðóã ñòàöèîíàðíîãî çíà÷åíèÿ, à ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîäåëüþ äëÿ óñðåäíåííûõ çíà÷åíèé (âêîòîðîé òîæå åñòü ïîäîáíûå êîëåáàíèÿ) àìïëèòóäà äàííûõ îñöèëëÿöèé óìåíüøàåòñÿ.4. Ïîñòðîåíà ìîäåëü äëÿ êðóïíîìàñøòàáíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ãàëàêòèêñî ñëó÷àéíûìè êîýôôèöèåíòàìè, îïèñûâàåìûìè êóñî÷íî-ïîñòîÿííûì ìàðêîâñêèì ïðîöåññîì.
Äëÿ ëîêàëüíîé ìîäåëè, ñâÿçàííîé ñ îáûêíîâåííûì äèôôåðåíöèàëüíûìè óðàâíåíèÿìè, âû÷èñëåíû êàê ÷èñëåííûå, òàê è àñèìïòîòè÷åñêèåñêîðîñòè ðîñòà. Ñ ïîìîùüþ èíâàðèàíòíîé ìåðû äîêàçàíà òåîðåìà î ïîâåäåíèèïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè, îïèñûâàþùåé ïîâåäåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ðàçíûå ìîìåíòû âðåìåíè. Äëÿ ïðîñòðàíñòâåííî-íåîäíîðîäíîé ìîäåëè ïîëó÷åíû òàêæå÷èñëåííûå ñêîðîñòè ðîñòà ïîëÿ, ïîêàçàíî, ÷òî â ïðåäåëå ìàëûõ âÿçêîñòåé îíèáëèçêè ê òîìó, ÷òî äàåòñÿ ëîêàëüíûì ïîäõîäîì. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïðèìåíåíû ê ïðèêëàäíîé çàäà÷å î ìàãíèòíîì ïîëå ïðè íàëè÷èè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ5. Ïðîâåäåíû îöåíêè äëÿ ýâîëþöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ãàëàêòèêàõ ñ èíòåíñèâíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì.
Äàííàÿ çàäà÷à èññëåäîâàíà â ðàìêàõ äâóõ ðàçëè÷íûõ ïîäõîäîâ: ïåðâûé ñâÿçàí ñ èñïîëüçîâàíèåì äåòåðìèíèðîâàííîé ñèñòåìûóðàâíåíèé è ââåäåíèåì ïàðàìåòðèçàöèè äëÿ êèíåìàòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ìåæçâåçäíîé ñðåäû; âòîðîé ñ èñïîëüçîâàíèåì óðàâíåíèé ñî ñëó÷àéíûìè êîýôôèöèåíòàìè.  ðàìêàõ îáîèõ ïîäõîäîâ ïîëó÷åíî, ÷òî ïðè ñëàáîì òåìïå çâåçäîîáðà7çîâàíèÿ ìàãíèòíîå ïîëå ãàëàêòèê ïî÷òè íå ìåíÿåòñÿ, à íà÷èíàÿ ñ îïðåäåëåííîãîïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ êðóïíîìàñøòàáíàÿ êîìïîíåíòà ðàçðóøàåòñÿ, âîññòàíàâëèâàÿñü òîëüêî ïîñëå îñëàáåâàíèÿ èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.Ñòðóêòóðà è îáúåì äèññåðòàöèîííîé ðàáîòûÄèññåðòàöèÿ ñîñòîèò èç Ââåäåíèÿ, ÷åòûðåõ ãëàâ, çàêëþ÷åíèÿ è ñïèñêà ëèòåðàòóðû.Ïåðâàÿ ãëàâà ïîñâÿùåíà îáùåìó îáçîðó òåîðèè äèíàìî, åå èñòîðèè íà÷èíàÿ ñ ðàííèõ ðàáîò Ëàðìîðà [26], Êàóëèíãà [27] è Àëüôâåíà[28] è çàêàí÷èâàÿñîâðåìåííûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè î ãåíåðàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â êîñìè÷åñêèõîáúåêòàõ.
Ïðèâåäåíà èíôîðìàöèÿ î íàáëþäàòåëüíûõ ñâèäåòåëüñòâàõ íàëè÷èÿìàãíèòíîãî ïîëÿ ó ãàëàêòèê è ñîâðåìåííûõ ìåòîäàõ èõ èçìåðåíèÿ. Îïèñàíûîñíîâíûå äîñòèæåíèÿ òåîðèè ãàëàêòè÷åñêîãî äèíàìî è àêòóàëüíûå ïðîáëåìû,ðåøåíèþ êîòîðûõ è ïîñâÿùåíî äèññåðòàöèîííîå èññëåäîâàíèå.Âòîðàÿ ãëàâà îïèñûâàåò, êàêèì îáðàçîì èç îñíîâíîãî äëÿ êðóïíîìàñøòàáíîé êîìïîíåíòû óðàâíåíèÿ ØòååíáåêàÊðàóçåÐýäëåðà [29] ïðîâîäèòñÿ ïåðåõîä ê ïëàíàðíîìó ïðèáëèæåíèþ [12, 13], â ðàìêàõ êîòîðîãî â ïðîñòðàíñòâåííîòðåõìåðíîé çàäà÷å èñêëþ÷àåòñÿ êîìïîíåíòà ïîëÿ, ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ ê ïëîñêîñòè ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, à çàòåì çàâèñèìîñòü îò òðåõ ïðîñòðàíñòâåííûõêîîðäèíàò ñâîäèòñÿ ê îäíîé ðàññòîÿíèþ äî öåíòðà ãàëàêòèêè. Äàëåå îáñóæäàåòñÿ ïîíÿòèå ìàãíèòíîé ñïèðàëüíîñòè è ïîêàçûâàåòñÿ, ïî÷åìó â ñðåäå ñ áåñêîíå÷íîé ïðîâîäèìîñòüþ îíà ñîõðàíÿåòñÿ. Äàëåå ñèñòåìà óðàâíåíèé äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ äîïîëíÿåòñÿ óðàâíåíèåì äëÿ ýâîëþöèè ñïèðàëüíîñòè ìàãíèòíîãîïîëÿ [17].
Ââîäèòñÿ äîïîëíèòåëüíîå ñëàãàåìîå â óðàâíåíèå äëÿ ñïèðàëüíîñòè,êîòîðîå ïîçâîëÿåò îïèñàòü ìàãíèòíîå ïîëå â ãàëàêòèêàõ ñ ïðîñòðàíñòâåííîéíåîäíîðîäíîñòüþ. Ïðîâîäèòñÿ ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷àåìûõ â äàííîé äîðàáîòàííîé ìîäåëè ñ ïîòîêàìè ñïèðàëüíîñòè è òåõ, ÷òî ïîëó÷åíû â ðàìêàõìîäåëè áåç ó÷åòà ïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè è â ðàìêàõ ìîäåëè ñî ñïèðàëüíîñòüþ,óñðåäíåííîé ïî âñåé ãàëàêòèêå. Ïîêàçàíî, ÷òî íàáëþäàþòñÿ íîâûå ýôôåêòû.8Òàê, ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîäåëüþ áåç ïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè íàáëþäàþòñÿ îñöèëëÿöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ îòíîñèòåëüíî ñòàöèîíàðíîãî çíà÷åíèÿ, à ïî ñðàâíåíèþ ñ¾óñðåäíåííîé¿ ìîäåëüþ ìàñøòàá äàííûõ îñöèëëÿöèé óìåíüøàåòñÿ.Òðåòüÿ ãëàâà ïîñâÿùåíà èññëåäîâàíèþ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â îêðàèííûõ îáëàñòÿõ ãàëàêòèêè.
Äëÿ ðàñ÷åòà èñïîëüçóþòñÿ ìîäåëè, ðàçðàáîòàííûå âôèçèêå ìåæçâåçäíîé ñðåäû [30, 31, 32]. Ñíà÷àëà ïðîâîäèòñÿ ÷èñëåííûé ðàñ÷åòäëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ðàìêàõ äâóõ àëüòåðíàòèâíûõ ïðåäñòàâëåíèé î ñâîéñòâàõãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà: ñîãëàñíî ïåðâîé, äèñê èìååò ïîñòîÿííóþ òîëùèíó, à ñêîðîñòè òóðáóëåíòíûõ ìåíÿþòñÿ ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò öåíòðà ãàëàêòèêè, ñîãëàñíîâòîðîé äèñê ðàñøèðÿåòñÿ, à ïàðàìåòðû ìåæçâåçäíîé òóðáóëåíòíîñòè îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè [33]. Ìàãíèòíîå ïîëå âî âíåøíèõ îáëàñòÿõ âîçíèêàåò â ïåðâóþî÷åðåäü íå çà ñ÷åò äåéñòâèÿ ñîáñòâåííî ìåõàíèçìà äèíàìî íà ïåðèôåðèè ãàëàêòèêè, êîòîðûé â äàííûõ îáëàñòÿõ ñèëüíî ïîäàâëåí, à çà ñ÷åò ðàñïðîñòðàíåíèÿíåëèíåéíîé âîëíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ èç öåíòðàëüíûõ îáëàñòåé.
Ýòî òðåáóåò èññëåäîâàíèÿ ñèñòåìû óðàâíåíèé, îïèñûâàþùèõ ýâîëþöèþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ:()u2 + v 2ut = −A(x)v 1 − 2− u + ε2 uxx ,U (x)(1)vt = −B(x)u − v + ε2 vxx ,ãäå u è v õàðàêòåðèçóþò êîìïîíåíòû ìàãíèòíîãî ïîëÿ, A(x) àëüôà-ýôôåêò,B(x) äèôôåðåíöèàëüíîå âðàùåíèå, U (x) ïîëå íàñûùåíèÿ (ýòè ôóíêöèèìîíîòîííî óáûâàþò ñ ðîñòîì x), ε ìàëûé ïàðàìåòð, êâàäðàò êîòîðîãî õàðàêòåðèçóåò òóðáóëåíòíóþ äèôôóçèþ. Êðîìå òîãî, áûëà ðàññìîòðåíà òàêæå åãîóïðîùåííàÿ ñêàëÿðíàÿ ìîäèôèêàöèÿ:ut = γ(x)u(1 − u2 ) + ε2 uxx ,(2)ãäå γ(x) õàðàêòåðèçóåò ñêîðîñòü ðîñòà ìàãíèòíîãî ïîëÿ.Îïðåäåëÿþòñÿ ñòàöèîíàðíûå ðåøåíèÿ äàííûõ óðàâíåíèé è èññëåäóåòñÿ èõóñòîé÷èâîñòü ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ A, B è U .
×èñëåííî èññëåäîâàíî ðàñïðîñòðàíåíèå ôðîíòîâ â çàäà÷å (1), ïîêàçàíî, ÷òî â ñëó÷àå ïåðåõîäíîãî ñëîÿ, ñî9åäèíÿþùåãî äâà óñòîé÷èâûõ ðåøåíèÿ, ñêîðîñòü åãî äâèæåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà âòîðîé ñòåïåíè ε.  ñëó÷àå ïåðåõîäíîãî ñëîÿ, ñîåäèíÿþùåãî óñòîé÷èâîå èíåóñòîé÷èâîå ðåøåíèå, ïîêàçàíî ÷òî ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ôðîíòà ïðîïîðöèîíàëüíà ïåðâîé ñòåïåíè ε. Äëÿ ñêàëÿðíîé çàäà÷è (2) äîêàçàíà òåîðåìà, óòâåðæäàþùàÿ ÷òî äëÿ ïåðåõîäíîãî ñëîÿ, ñîåäèíÿþùåãî äâà óñòîé÷èâûõ ðåøåíèÿ,ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ôðîíòà ñîñòàâëÿåò:w0 = −ε2γ ′ (x)+ o(ε2 ).2γ(x)Îòìåòèì, ÷òî îïèñàííûå ðåçóëüòàòû ïî ñìûñëó áëèçêè ê òîìó, ÷òî áûëîïîëó÷åíî â ðàáîòàõ Ïåòðîâà, Âàñèëüåâîé è Ïëîòíèêîâà äëÿ ñõîäíûõ çàäà÷ îðàñïðîñòðàíåíèè ôðîíòîâ â ïàðàáîëè÷åñêèõ óðàâíåíèÿõ [34, 35, 36]. Îäíàêîîíè áûëè ïîëó÷åíû èç íåñêîëüêî äðóãèõ ñîîáðàæåíèé è îòíîñÿòñÿ ê íàèáîëååðàííèì âåðñèÿì ìîäåëåé äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ.×åòâåðòàÿ ãëàâà ïîñâÿùåíà èññëåäîâàíèþ ïðîöåññîâ ãåíåðàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ãàëàêòèêàõ ñ èíòåíñèâíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì.
Ïåðâîíà÷àëüíî ðàçðàáàòûâàåòñÿ îñíîâàííàÿ íà ïðîñòîé ëèíåéíîé àïïïðîêñèìàöèè íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ ïàðàìåòðèçàöèÿ, ñâÿçûâàþùàÿ èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿñ âåëè÷èíàìè, îïðåäåëÿþùèìè äåéñòâèå äèíàìî: ïîëóòîëùèíîé ãàëàêòè÷åñêîãî äèñêà, ïëîòíîñòüþ ìåæçâåçäíîãî ãàçà è ñêîðîñòüþ òóðáóëåíòíûõ äâèæåíèé.Ðàñ÷åò ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðîâîäèòñÿ â ðàìêàõ ïðîñòîé ìîäåëè áåç ó÷åòà ïîòîêîâñïèðàëüíîñòè. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè íèçêîé èíòåíñèâíîñòè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ åãîâëèÿíèå íà ìàãíèòíîå ïîëå ïðàêòè÷åñêè íåçàìåòíî, îäíàêî ïðè ïðåâûøåíèèîïðåäåëåííîãî ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ êðóïíîìàñøòàáíîå ìàãíèòíîå ïîëå ðàçðóøàåòñÿ è âîññòàíàâëèâàåòñÿ òîëüêî ïîñëå îêîí÷àíèÿ âñïûøêè.Çàòåì ïðîâîäèòñÿ áîëåå ñëîæíàÿ ïàðàìåòðèçàöèÿ äàííûõ âåëè÷èí, îñíîâàííàÿ íà ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ìåæçâåçäíîé ñðåäû. Äëÿ ðàñ÷åòà èñïîëüçóåòñÿìîäåëü äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ ó÷åòîì ïîòîêîâ ñïèðàëüíîñòè, ðàçðàáîòàííàÿ âîâòîðîé ãëàâå.
Äàííûé ïîäõîä íåñêîëüêî ìåíÿåò ðåçóëüòàòû: çíà÷åíèå ïîðîãàñíèæàåòñÿ, åñëè ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèÿ ïðåâûøàåò çíà10÷åíèå äàííîé âåëè÷èíû â Ìëå÷íîì Ïóòè áîëåå, ÷åì â 5 ðàç, êðóïíîìàñøòàáíîåìàãíèòíîå ïîëå íà÷èíàåò ýêñïîíåíöèàëüíî çàòóõàòü [37].Äàëåå èññëåäóåòñÿ ñòîõàñòè÷åñêîå óðàâíåíèå ßêîáè, ïîçâîëÿþùåå ïðîìîäåëèðîâàòü îñíîâíûå ñâîéñòâà ãàëàêòè÷åñêîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Äëÿ íåãî ïîëó÷åíû ñêîðîñòè ðîñòà ðåøåíèÿ, ïîêàçàíî íàëè÷èå ïåðåìåæàåìîñòè: ñòàðøèå ñòàòèñòè÷åñêèå ìîìåíòû ðåøåíèÿ ðàñòóò áûñòðåå ìëàäøèõ [38, 39]. Çàòåì ðàññìàòðèâàåòñÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé äëÿ ýâîëþöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ:dBrπ2= −Rα Bφ − Br ,dt4dBφπ2= −Rω Br − Bφ ,dt4(3)â êîòîðîì êîýôôèöèåíò Rα îïèñûâàåòñÿ êóñî÷íî-ïîñòîÿííûì ìàðêîâñêèì ïðîöåññîì. Íà îòðåçêàõ [(n − 1)∆t, n∆t) åãî çíà÷åíèå ïîñòîÿííî è îïèñûâàåòñÿôîðìóëîé:R ñ âåðîÿòíîñòüþ p1 ; 1Rα = ...RN ñ âåðîÿòíîñòüþ pN ,(4)ãäå p1 + ...
+ pN = 1.Ïîñòðîåíà àñèìïòîòèêà äëÿ ñêîðîñòè ýêñïîíåíöèàëüíîãî ðîñòà ìàãíèòíîãîïîëÿ. Ñ ïîìîùüþ èíâàðèàíòíîé ìåðû [40] äîêàçàíà òåîðåìà î òîì, êàê âåäåòñåáÿ ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ θ = arctg(BφBr)Ñîãëàñíî åé, ïðè ïåðåõîäå îòìîìåíòà âðåìåíè (n − 1)∆t ê ìîìåíòó âðåìåíè n∆t îíà òðàíñôîðìèðóåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:πn (θ) =∑pi πn−1 (gi (θ))|Di (gi (θ))|,iãäå:)sh Ri Rω ∆t + sin θ ch Ri Rω ∆t cos θ√gi (θ) = arctg (√)(√) ,Ricos θ ch Ri Rω ∆t + sin θ Rω sh Ri Rω ∆t√RωRi(√)11(√(5)) RRiωDi (χ) = shRi Rω ∆t (cos2 (χ) +sin2 χ)−RiRω√(√) (√)Rω− shRi Rω ∆t chRi Rω ∆t sin(2χ)(+Ri√(√)Ri2+) + chRi Rω ∆t .(6)RωÀñèìïòîòè÷åñêèå ðåçóëüòàòû ñðàâíèâàþòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè ÷èñëåííîãî ìî2(√äåëèðîâàíèÿ: ïîêàçàíî íàëè÷èå ýôôåêòà ïåðåìåæàåìîñòè è â äàííîé çàäà÷å.Çàòåì ðåçóëüòàòû ïðèìåíÿþòñÿ ê áîëåå êîíêðåòíîé çàäà÷å ñî çíà÷åíèÿìè ïàðàìåòðîâ, õàðàêòåðíûìè äëÿ ìåæçâåçäíîé ñðåäû â ãàëàêòèêàõ ñ âûñîêèì òåìïîì çâåçäîîáðàçîâàíèÿ.
Ïîëó÷åíî êà÷åñòâåííîå ñîîòâåòñòâèå ðåçóëüòàòîâ äåòåðìèíèðîâàííîé ìîäåëè: êðóïíîìàñøòàáíîå ìàãíèòíîå ïîëå ðàçðóøàåòñÿ, åñëè èíòåíñèâíîñòü çâåçäîîáðàçîâàíèå ïðåâûøàåò çíà÷åíèå äàííîé âåëè÷èíû âÌëå÷íîì Ïóòè ïðèìåðíî â 45 ðàç. çàêëþ÷åíèè äåëàþòñÿ âûâîäû î ïîëó÷åííûõ òåîðåòè÷åñêèõ ðåçóëüòàòàõ:èññëåäîâàíû ñâîéñòâà óðàâíåíèé, ôèãóðèðóþùèõ â ðàìêàõ ïëàíàðíîãî ïðèáëèæåíèÿ äëÿ ãàëàêòè÷åñêîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, èññëåäîâàíû ïðîöåññû ôîðìèðîâàíèÿ è ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïåðåõîäíûõ ñëîåâ; ïîêàçàíî, ÷òî ìàãíèòíîå ïîëå âãàëàêòèêàõ ñ èíòåíñèâíûì çâåçäîîáðàçîâàíèåì ðàçðóøàåòñÿ è âîññòàíàâëèâàåòñÿ ëèøü ïîñëå îêîí÷àíèÿ âñïûøêè.Îáùèé îáúåì äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû ñîñòàâëÿåò 114 ñòðàíèö, â òîì ÷èñëå28 ðèñóíêîâ è 5 òàáëèö.















