Механизм Applegate - Applegate mechanism
Механизм Эпплгейта ( механизм Эпплгейта или эффект Эпплгейта ) объясняет долгосрочные вариации орбитального периода, наблюдаемые в некоторых затменных двойных системах . По мере того как звезда главной последовательности проходит цикл активности, внешние слои звезды подвергаются воздействию магнитного момента, изменяющего распределение углового момента, что приводит к изменению сжатия звезды. Орбита звезд в двойной паре гравитационно связана с изменениями их формы, так что период показывает модуляции (обычно порядка ∆P / P ∼ 10 −5 ) в том же масштабе времени, что и циклы активности (обычно на порядка десятилетий).
Введение
Тщательная синхронизация затменных двойных систем показала, что системы, показывающие модуляцию орбитального периода порядка ∆P / P ∼ 10 −5 в течение десятилетий, являются довольно распространенными. Ярким примером такой системы является Алгол , подробные данные наблюдений за которым насчитывают более двух столетий. В течение этого промежутка времени график зависимости от времени разницы между наблюдаемыми временами затмений и прогнозируемыми временами показывает особенность (называемую «большим неравенством») с полной амплитудой 0,3 дня и повторяющейся шкалой времени в веках. . На эту особенность накладывается вторичная модуляция с полной амплитудой 0,06 дня и повторяющейся шкалой времени около 30 лет. Модуляции орбитального периода аналогичной амплитуды наблюдаются и в других двойных системах Алгола .
Эти периодические модуляции, хотя и повторяющиеся, не следуют строго регулярному циклу. Нерегулярное повторение исключает попытки объяснить эти периодические изменения как следствие апсидальной прецессии или присутствия далеких, невидимых спутников. У объяснений апсидальной прецессии также есть проблема, заключающаяся в том, что они требуют эксцентрической орбиты, но системы, в которых наблюдаются эти модуляции, часто показывают орбиты с небольшим эксцентриситетом. Более того, объяснения третьего тела содержат проблему, заключающуюся в том, что во многих случаях третье тело, достаточно массивное, чтобы производить наблюдаемую модуляцию, не могло избежать оптического обнаружения, если только третье тело не было довольно экзотическим.
Другое явление, наблюдаемое в некоторых двойных системах Алгола, - это монотонное увеличение периода. Это довольно сильно отличается от гораздо более распространенных наблюдений чередования увеличения и уменьшения периода, объясняемых механизмом Эпплгейта. Монотонное увеличение периода объясняется переносом массы, обычно (но не всегда) от менее массивной звезды к более массивной.
Механизм
Масштаб времени и повторяемость этих модуляций орбитального периода подсказали Матезе и Уитмайру (1983) механизм, вызывающий изменения квадрупольного момента одной звезды с последующим спин-орбитальным взаимодействием. Однако они не смогли дать убедительного объяснения того, что могло вызвать такие флуктуации квадрупольного момента.
Взяв за основу механизм Матеза и Уитмайра, Эпплгейт утверждал, что изменения радиуса вращения одной звезды могут быть связаны с циклами магнитной активности. Подтверждение его гипотезы было получено из наблюдения, что большая часть вторичных звезд поздних типов в двойных системах Алгола, по-видимому, является быстро вращающимися конвективными звездами, что подразумевает, что они должны быть хромосферно активными. Действительно, модуляция орбитального периода наблюдается только в двойных системах типа Алгол, содержащих конвективную звезду позднего типа.
Учитывая, что гравитационная квадрупольная связь участвует в изменении орбитального периода, оставался вопрос, как магнитное поле может вызвать такие изменения формы. Большинство моделей 1980-х годов предполагали, что магнитное поле деформирует звезду, отклоняя ее от гидростатического равновесия. Однако Марш и Прингл (1990) продемонстрировали, что энергия, необходимая для создания таких деформаций, превысит общий выход энергии звезды.
Звезда не вращается как твердое тело. Наибольший вклад в квадрупольный момент звезды вносят внешние части звезды. Эпплгейт предположил, что когда звезда проходит цикл своей активности, магнитные моменты могут вызывать перераспределение углового момента внутри звезды. В результате изменится сжатие звезды при вращении, и это изменение в конечном итоге приведет к изменению орбитального периода через механизм Матезе и Уитмайра. Расчеты бюджета энергии показывают, что активная звезда обычно должна быть переменной на уровне ΔL / L ≈ 0,1 и должна дифференциально вращаться на уровне ΔΩ / Ω ≈ 0,01.
Применимость
Механизм Applegate делает несколько проверяемых прогнозов:
- Вариации светимости активной звезды должны соответствовать модуляциям орбитального периода.
- Любой другой индикатор магнитной активности ( например, активность солнечных пятен, рентгеновская светимость короны и т. Д. ) Также должен показывать вариации, соответствующие модуляциям в орбитальном периоде.
- Поскольку большие изменения радиуса звезды исключаются из соображений энергетики, изменения светимости должны полностью происходить из-за изменений температуры.
Проверки приведенных выше прогнозов подтвердили достоверность этого механизма, но не однозначно.
Эффект Эпплгейта дает единое объяснение многих (но не всех) кривых эфемерид для широкого класса двойных систем и может помочь в понимании динамо- активности, наблюдаемой в быстро вращающихся звездах.
Механизм Эпплгейта также использовался для объяснения изменений в наблюдаемых временах прохождения внесолнечных планет в дополнение к другим возможным эффектам, таким как приливная диссипация и присутствие других планетных тел.
Однако есть много звезд, для которых механизм Эпплгейта неадекватен. Например, вариации орбитального периода в некоторых затменных двойных системах с пост-общей оболочкой на порядок больше, чем могут быть приспособлены эффектом Эпплгейта с магнитным торможением или третьим телом на высокоэллиптической орбите, обеспечивающим единственные известные механизмы, способные объясните наблюдаемую вариацию.