Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 47
Текст из файла (страница 47)
А именно, центральное тело выбрасывает во взаимно противоположных направлениях две релятивистские струи газа. Скорости движения струй составляют !/4 часть от скорости света, При этом направление струй совершает в пространстве периодическое прецессионное движение. Такое движение напоминает медленную прецессию оси гироскопа при его быстром вращении на плоскости. Расширение исследований источника ЯБ 433 установило факт малого периодического смещения по шкале длин волн и основных линий спектра (речь идет главным образом о водороде). Период смешения основных линий оказался равным !3 дням.
Сложившаяся ситуация означала, что наблюдатели имеют дело с тесной двойной звездной системой, обращающейся вокруг их общего центра масс. Астрофизика 201 У астрономов были хорошо развиты методы работы с двойными системами заезд. В результате были определены параметры обеих звезд- компаньонов. Одна из звезд обычная с массой !Π—: 20Мо, температурой поверхности 20 тыс. градусов, радиусом 2 10'а м. Размер двойной системы заезд сравним с размерами указанной обычной звезды. Что касается излучаемой энергии, то полная светимость ББ 433 порядка 10~~ хэ 10~~ Вт, что примерно в миллион раз превышает светимость Солнца.
Светимость в рентгеновском диапазоне ° 3 10ж Вт, в радиодиапазоне — 3 1О'~ Вт. Относительно второго компаньона в тесной двойной системе звезд ББ 433, имеются доводы, что это весьма компактный объект — либо нейтронная звезда, либо черная дыра. Мощное поле тяготения компактного объекта с массой 3 + 5Ме (потенциал поля 1а = -СМ/22) срывает вещество с обычной звезды, которое по спирали устремляется к нему, образуя аккреционный диск. В частности, этот диск явится источником рентгеновского излучения. Каков механизм формирования мощных газовых выбросов и струй, движущихся почти со скоростью света? Представления о газодинамических процессах в окрестности черной дыры еше далеко не разработаны.
Поэтому мы рассмотрим модель ББ 433, в которой компактным объектом является нейтронная звезда. Заметим, что верхний предел масс дяя нейтронных звезд ЗМо, переход за который ведет к гравитационному коллапсу и образованию черной дыры. Черной — потому что она ничего не излучает, дыра — ибо в нее все «проваливается». Ключевыми словами в нашем дальнейшем изложении будут: магнитно-дипольное излучение нейтронной звеэяы, магнитосфера пульсара, аккреционный диск, формирование газодинамических релятивистских струй.
Читатель уже имеет некоторые сведения о нейтронных звездах (см. э" 17.4) Магнитное поле нейтронной звезды имеет дипольный характер, Такое поле описывают магнитным моментом р У нейтронной звезды направление магнитного момента р, как правило, не совпадает с направлением угловой скорости Ы вращения. Поскольку заезда вращается, вектор р образует в пространстве некоторую коническую поверхность. В этих условиях нейтронная звезда может явиться источником так называемого магнитно-дипольного излучения. Дело в том, что суммарный электрический заряд звезды с высокой точностью равен нулю, а внутреннее распределение вещества звезды, повидимому, сферически симметрично, а значит, у нее отсутствует электрический дипольный момент, От каких параметров нейтронной звезды может зависеть магнитнодипольное излучение? Эту задачу проще и естественней рассматривать, используя систему СГС.
Ясно, что частота такого излучения равна частоте ы вращения, интенсивность же 2 излучения должна зависеть от магнитного момента р и частоты вращения. Кроме того, в выражение для 202 Приложение интенсивности электромагнитного излучения, каковым является магнитно-дипольное, обязана входить релятивистская постоянная с. В итоге 3 окажется зависящей от р, иг и с. Найдем эту зависимость методом анализа размерностей. Для этою записываем 1 1 рл1иг с где х, у и а — некоторые числа, которые надлежит найти. Выписываем размерности рассматриваемых величин; И=! — =1г см с 2 -3 с [Р [=! — =1г см с зуг 3?г 3?2 Гс [го[=!с, [с[=1см с г.
Подставляем указанные размерности в исходное равенство, тогда 1г смг.с 3 = !гг?2 см312* с Сравнив показатели степеней при одинаковых наименованиях единиц измерения, получим систему уравнений х — =1 2 5 2 -х+а =2 я+у+2 =3 Решение этой системы уравнений дает х = 2, у = 4, л = -3. В результате 2 4-3 у ° р шс или 2 4 — 13 иг (4) Полученное выражение для интенсивности магнитно-дипольного излучения можно преобразовать, если вспомнить, что магнитный момент р НЛ„. Подставив его в (4), получим — Н Л,иг.
2 4 4 (44) Это соотношение отличается от точного множителем 2/3. Произведем числовую опенку полной интенсивности магнитно-дипольного излучения нейтронной звезды. Соберем известные уже нам числа: Н„° !О'о Э, Н„!04 см, иг„10 с '. Подставив их в (44), в итоге получим 3 ! 04о эрг/с = 103' Вт. Много это или мало? Совокупная мощность излучения всех радио-и телепередатчиков у нас на Земле составляет примерно несколько тысяч Астрофизика 203 мегаватт или порядка 10 Вт. Другими словами, мощность «космических радиопередатчиков» фантастически велика по сравнению с земными. Само излучение нейтронной заезды имеет резко направленный характер (вдоль направления вектора р ).
Так что получается «модель вращающегося маяка», и наблюдатель на Земле фиксирует лишь отдельные импульсы излучения от такой звезды. По этой причине нейтронные звезды называют пульсарами. В формировании процессов в окрестности пульсара большую роль играет его магнитосфера. Остановимся на физике магнитосферы пульсара. При тех сверхсильных магнитных полях, которые существуют у самой поверхности пульсара, «вакуумное состояние» электромагнитного поля становится неустойчивым, и сопровождается рождением электроннопозитронных пар. Дело в том, что низшее квантовое состояние поля, т.е.
его состояние без каких-либо частиц, испытывает «нулевые» квантовые флуктуации, проявляющиеся в рождении и исчезновении так называемых виртуальных (временно возникающих и ненаблюдаемых) пар частиц- античастиц. Эти пары аннигилируют и вновь рождаются. При внешних полях, энергия которых сравнима с энергией покоя частиц, виртуальные образования становятся реальными. У поверхности пульсара возникает электронно-позитронная плазма. Сделаем количественные оценки.
Будем исходить из общего квантового соотношения 2«ЕМ1 ° г«, связывающего неопределенности энергии гхЕ и времени «»1 (Ь вЂ” квантовая постоянная). В применении к полю, речь будет идти о флукгуациях энергии и их временных характеристиках. По отношению к рождению электронно-позитронных пар Ь л 1О и «х1 УЗ»Е 2пз«сз 2. 1О и 3 1Ою « 0,5. 10 с ( ) (мы по-прежнему пользуемся системой СГС). Этим временным масштабам соответствуют пространственные масштабы гз1 ° ссх1 3. 101 0,5 1О 1,5.!О см. Это так называемая комптоновская длина волны.
Величина электрического поля, необходимая для рождения электронно-позитронной пары, найдется из соотношения сФ«х1 2т,с, где слева — работа поля е над зарядом с на пути Ы. В итоге 2гпес 2 1О (3. 1О ) мед. СГСЭ«п В Ф' ° 10 ° 10 еЫ 5 10'о 10" см см Какова должна быть напряженность магнитного поля Н, соответствующая указанному значению электрического поля? Исходим из связи и «» — Н. с Приложение Тогда, в применении к пульсару, будем иметь Н 8 1О 3 10 Э.
с 3 10' м м ы»Н„10«!О» Здесь угловая скорость вращения быстрого пульсара ы„10" рад/с, а его собственный радиус Н„° 10» см. Заметим, что в системе СГС размерности полей Н и «Г одинаковы, а их соответствующие единицы измерения «эрстед» Э и ед. СГСЭ„/см (=300 В/см). Указанные значения полей Н и 4", по-видимому, могут существовать лишь вблизи «горячих точек» пульсара — его магнитных полюсов, н там интенсивно генерируется электронно-позитронная плазма. У остальной поверхности пульсара Н 1О'~ Э, а электрические поля, возникающие благодаря вращению пульсара и магнитному полю, имеют значения 8 10" В/см.
Энергии частиц Е электронно-позитронной плазмы пульсара превышают их энергии покоя та,сз в 10'+ 104 раза. Поэтому такую плазму именуют ультрарелятивистской. В окрестности магнитных полюсов пульсара процессы генерации электронно-позитронной плазмы сопровождаются интенсивным направленным излучением в самом широком волновом диапазоне: от гамма- квантов до радиоизлучения. Сильнейшие электрические поля разгоняют электроны и позитроны (в противоположных направлениях) до энергий 10ы «Ь 1Оы эВ. Их кулоновское взаимодействие с ионами вещества аккреции «тянет» за собой и формирует плазменную газовую струю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
