Звездное вращение - Stellar rotation

Эта иллюстрация показывает сжатый вид звезды Ахернар, вызванный быстрым вращением.

Звездное вращение - это угловое движение звезды вокруг своей оси. Скорость вращения можно измерить по спектру звезды или по времени движения активных объектов на поверхности.

Вращение звезды вызывает экваториальную выпуклость из-за центробежной силы . Поскольку звезды не являются твердыми телами, они также могут подвергаться дифференциальному вращению . Таким образом, экватор звезды может вращаться с другой угловой скоростью, чем более высокие широты . Эти различия в скорости вращения внутри звезды могут играть важную роль в генерации звездного магнитного поля .

Магнитное поле звезды взаимодействует с звездным ветром . По мере того как ветер удаляется от звезды, его угловая скорость замедляется. Магнитное поле звезды взаимодействует с ветром, который оказывает сопротивление вращению звезды. В результате угловой момент передается от звезды ветру, и со временем это постепенно снижает скорость вращения звезды.

Измерение

Если звезду не наблюдают со стороны ее полюса, участки поверхности имеют некоторое движение к наблюдателю или от него. Составляющая движения в направлении наблюдателя называется лучевой скоростью. Для части поверхности с радиальной составляющей скорости по направлению к наблюдателю излучение смещается на более высокую частоту из-за доплеровского сдвига . Точно так же область, в которой компонент движется от наблюдателя, смещается на более низкую частоту. Когда наблюдаются линии поглощения звезды, этот сдвиг на каждом конце спектра вызывает уширение линии. Однако это расширение необходимо тщательно отделить от других эффектов, которые могут увеличить ширину линии.

Эта звезда имеет наклон i к линии прямой видимости наблюдателя на Земле и скорость вращения v e на экваторе.

Составляющая лучевой скорости, наблюдаемая через уширение линии, зависит от наклона полюса звезды к лучу зрения. Полученное значение задается как , где v e - скорость вращения на экваторе, а i - наклон. Однако i не всегда известно, поэтому результат дает минимальное значение скорости вращения звезды. То есть, если угол i не прямой , то фактическая скорость больше, чем . Иногда это называют предполагаемой скоростью вращения. Для быстро вращающихся звезд поляриметрия предлагает метод восстановления действительной скорости, а не только скорости вращения; эта техника пока применялась только к Регулусу .

Для гигантских звезд атмосферная микротурбулентность может привести к уширению линий, которое намного больше, чем эффект вращения, эффективно заглушая сигнал. Однако можно использовать альтернативный подход, который использует события гравитационного микролинзирования . Это происходит, когда массивный объект проходит перед более далекой звездой и действует как линза, ненадолго увеличивая изображение. Более подробная информация, собранная таким образом, позволяет отличить эффекты микротурбулентности от вращения.

Если звезда показывает магнитную активность на поверхности, такую ​​как звездные пятна , то эти особенности можно отслеживать, чтобы оценить скорость вращения. Однако такие элементы могут формироваться в местах, отличных от экватора, и могут перемещаться по широтам в течение своей жизни, поэтому дифференциальное вращение звезды может давать разные измерения. Магнитная активность звезд часто связана с быстрым вращением, поэтому этот метод можно использовать для измерения таких звезд. Наблюдение за звездными пятнами показало, что эти особенности могут фактически изменять скорость вращения звезды, поскольку магнитные поля изменяют поток газов в звезде.

Физические эффекты

Экваториальная выпуклость

Гравитация стремится сжимать небесные тела в идеальную сферу, в которой вся масса находится как можно ближе к центру тяжести. Но вращающаяся звезда имеет не сферическую форму, а экваториальную выпуклость.

По мере того как вращающийся протозвездный диск сжимается, образуя звезду, его форма становится все более и более сферической, но сжатие не продолжается до идеальной сферы. На полюсах вся сила тяжести увеличивает сжатие, но на экваторе эффективная сила тяжести уменьшается за счет центробежной силы. Окончательная форма звезды после звездообразования - это равновесная форма в том смысле, что эффективная гравитация в экваториальной области (при уменьшении) не может притянуть звезду к более сферической форме. Вращение также вызывает гравитационное затемнение на экваторе, как описано теоремой фон Цейпеля .

Крайний пример экваториальной выпуклости находится на звезде Регулус A (α Леониса A). Экватор этой звезды имеет измеренную скорость вращения 317 ± 3 км / с. Это соответствует периоду вращения 15,9 часа, что составляет 86% скорости, с которой звезда разорвалась бы на части. Экваториальный радиус этой звезды на 32% больше полярного. Другие быстро вращающиеся звезды включают Альфа Араэ , Плейону , Вегу и Ахернар .

Скорость разрушения звезды - это выражение, которое используется для описания случая, когда центробежная сила на экваторе равна силе гравитации. Чтобы звезда была стабильной, скорость вращения должна быть ниже этого значения.

Дифференциальное вращение

Поверхностное дифференциальное вращение наблюдается у таких звезд, как Солнце, когда угловая скорость изменяется с широтой. Обычно угловая скорость уменьшается с увеличением широты. Однако наблюдалась и обратная ситуация, например, на звезде, обозначенной HD 31993. Первой такой звездой, отличной от Солнца, дифференциальное вращение которой было нанесено на карту подробно, является AB Doradus .

Основным механизмом, вызывающим дифференциальное вращение, является турбулентная конвекция внутри звезды. Конвективное движение переносит энергию к поверхности за счет массового движения плазмы. Эта масса плазмы несет часть угловой скорости звезды. Когда турбулентность возникает из-за сдвига и вращения, угловой момент может перераспределяться по разным широтам через меридиональный поток .

Считается, что границы раздела между областями с резкими различиями во вращении являются эффективными участками динамо-процессов, которые генерируют звездное магнитное поле . Существует также сложное взаимодействие между распределением вращения звезды и ее магнитным полем с преобразованием магнитной энергии в кинетическую, изменяющую распределение скоростей.

Торможение вращением

Во время формирования

Считается, что звезды образуются в результате коллапса низкотемпературного облака газа и пыли. Когда облако схлопывается, сохранение углового момента приводит к увеличению любого небольшого чистого вращения облака, заставляя материал превращаться во вращающийся диск. В плотном центре этого диска образуется протозвезда , которая получает тепло от гравитационной энергии коллапса.

По мере продолжения коллапса скорость вращения может возрасти до точки, когда аккрецирующая протозвезда может разрушиться из-за центробежной силы на экваторе. Таким образом, скорость вращения должна быть замедлена в течение первых 100 000 лет, чтобы избежать этого сценария. Одним из возможных объяснений торможения является взаимодействие магнитного поля протозвезды со звездным ветром при магнитном торможении . Расширяющийся ветер уносит угловой момент и замедляет скорость вращения коллапсирующей протозвезды.

Средние скорости
вращения
Звездный
класс
v e
(км / с)
O5 190
B0 200
B5 210
A0 190
A5 160
F0 95
F5 25
G0 12

Было обнаружено, что большинство звезд главной последовательности со спектральным классом между O5 и F5 быстро вращаются. Для звезд в этом диапазоне измеренная скорость вращения увеличивается с массой. Это увеличение вращения достигает пика среди молодых массивных звезд класса B. «Поскольку ожидаемая продолжительность жизни звезды уменьшается с увеличением массы, это можно объяснить снижением скорости вращения с возрастом».

После формирования

Для звезд главной последовательности снижение вращения можно аппроксимировать математическим соотношением:

где - угловая скорость на экваторе, t - возраст звезды. Это соотношение названо законом Скуманича в честь Эндрю П. Скуманича, который открыл его в 1972 году, но который на самом деле был предложен намного раньше Эври Шацманом . Гирохронология - это определение возраста звезды на основе скорости вращения, откалиброванной по Солнцу.

Звезды медленно теряют массу из-за излучения звездного ветра из фотосферы. Магнитное поле звезды оказывает крутящий момент на выброшенное вещество, что приводит к устойчивой передаче углового момента от звезды. Звезды со скоростью вращения более 15 км / с также демонстрируют более быструю потерю массы и, следовательно, более высокую скорость затухания вращения. Таким образом, поскольку вращение звезды замедляется из-за торможения, скорость потери углового момента уменьшается. В этих условиях звезды постепенно приближаются к состоянию нулевого вращения, но никогда не достигают его.

В конце основной последовательности

Ультра-холодные карлики и коричневые карлики с возрастом вращаются быстрее из-за гравитационного сжатия. У этих объектов также есть магнитные поля, подобные самым холодным звездам. Однако открытие быстро вращающихся коричневых карликов, таких как коричневый карлик T6 WISEPC J112254.73 + 255021.5, подтверждает теоретические модели, которые показывают, что торможение вращения звездным ветром более чем в 1000 раз менее эффективно в конце главной последовательности.

Близкие бинарные системы

Плотная двойная звездная система возникает, когда две звезды вращаются вокруг друг друга со средним расстоянием, равным по порядку величине их диаметрам. На этих расстояниях могут происходить более сложные взаимодействия, такие как приливные эффекты, перенос массы и даже столкновения. Приливные взаимодействия в тесной двойной системе могут привести к модификации орбитальных и вращательных параметров. Полный угловой момент системы сохраняется, но угловой момент может передаваться между орбитальными периодами и скоростями вращения.

Каждый из членов тесной двойной системы вызывает приливы друг к другу посредством гравитационного взаимодействия. Однако выступы могут быть немного смещены относительно направления гравитационного притяжения. Таким образом, сила тяжести создает компонент крутящего момента на выпуклости, что приводит к передаче углового момента ( приливное ускорение ). Это заставляет систему неуклонно развиваться, хотя она может приближаться к устойчивому равновесию. Эффект может быть более сложным в случаях, когда ось вращения не перпендикулярна плоскости орбиты.

Для контактных или полуразделенных двойных систем передача массы от звезды к ее спутнику также может привести к значительной передаче углового момента. Аккрецирующий спутник может вращаться до точки, в которой он достигает критической скорости вращения и начинает терять массу вдоль экватора.

Вырожденные звезды

После того, как звезда закончила генерировать энергию посредством термоядерного синтеза , она переходит в более компактное вырожденное состояние. При этом размеры звезды значительно уменьшаются, что может привести к соответствующему увеличению угловой скорости.

белый Гном

Белый карлик звезда , который состоит из материала , который является побочным продуктом термоядерного синтеза в течение ранней части своей жизни, но не хватает массы , чтобы сжечь эти более массивные элементы. Это компактное тело, которое поддерживается квантово-механическим эффектом, известным как давление вырождения электронов , которое не позволит звезде продолжить коллапс. Обычно большинство белых карликов имеют низкую скорость вращения, скорее всего, в результате торможения вращения или потери углового момента, когда звезда-прародитель потеряла внешнюю оболочку. (См. Планетарная туманность .)

Медленно вращающийся белый карлик не может превысить предел Чандрасекара в 1,44 массы Солнца без коллапса с образованием нейтронной звезды или взрыва сверхновой типа Ia . Как только белый карлик достигнет этой массы, например, в результате аккреции или столкновения, гравитационная сила превысит давление, оказываемое электронами. Однако, если белый карлик быстро вращается, эффективная гравитация уменьшается в экваториальной области, что позволяет белому карлику превысить предел Чандрасекара. Такое быстрое вращение может происходить, например, в результате увеличения массы, что приводит к передаче углового момента.

Нейтронная звезда

Нейтронная звезда (в центре) испускает пучок излучения со своих магнитных полюсов. Лучи перемещаются по конической поверхности вокруг оси вращения.

Нейтронной звезды является очень плотным остатком звезды , которая в основном состоит из нейтронов -a частицы , которые можно найти в большинстве атомных ядер и не имеет чистый электрический заряд. Масса нейтронной звезды в 1,2–2,1 раза больше массы Солнца . В результате коллапса новообразованная нейтронная звезда может иметь очень высокую скорость вращения; порядка ста оборотов в секунду.

Пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды, обладающие магнитным полем. Узкий пучок электромагнитного излучения исходит от полюсов вращающихся пульсаров. Если луч проходит мимо направления Солнечной системы, пульсар будет производить периодический импульс, который можно обнаружить с Земли. Энергия, излучаемая магнитным полем, постепенно замедляет скорость вращения, так что более старым пульсарам может потребоваться несколько секунд между каждым импульсом.

Черная дыра

Черная дыра представляет собой объект с гравитационным полем , который является достаточно мощным , что он может предотвратить свет от побега. Когда они образуются в результате схлопывания вращающейся массы, они сохраняют весь угловой момент, который не теряется в виде выбрасываемого газа. Это вращение заставляет пространство внутри сплющенного сфероидального объема, называемого «эргосферой», перемещаться вместе с черной дырой. Масса, попадающая в этот объем, приобретает энергию в результате этого процесса, и некоторая часть массы затем может быть выброшена без падения в черную дыру. Когда масса выбрасывается, черная дыра теряет угловой момент (« процесс Пенроуза »). Скорость вращения черной дыры составляет 98,7% от скорости света .

использованная литература

внешние ссылки