Новий сценарій для молодіжних зіркових "Динамо"
Земля має магнітне поле, і на щастя! Це справді діє як щит, який захищає нас від постійного обстрілу частинками сонячного вітру. Але це не єдине небесне тіло в цьому випадку: Сонце також має власне магнітне поле, як і багато планет, зірок та галактик. Походження та стійкість цих астрофізичних магнітних полів досі ставлять багато фундаментальних питань.
Тому в деяких астрофізичних тілах діє механізм підтримки цього магнітного поля, незважаючи на розсіювання ефектом Джоуля. І ми знаємо, що цей механізм має складну динаміку: міграція в часі магнітного Північного полюса, зазначеного компасом, повороти Північ-Південь, яких зазнало магнітне поле в минулому, і за якими вулканічні породи відстежували., але також у випадку Сонця коливальна активність сонячних плям (яку вже спостерігав Галілей!) ... всі ці елементи є стільки ознаками складності процесу.
Приблизно століття гіпотеза, прийнята фізиками, полягає в тому, що магнітне поле підтримується ефектом динамо в багатьох небесних тілах c. Трохи схожий на велосипедне динамо, яке перетворює механічну енергію, пов’язану з рухом коліс, в електричну! Але на планетах або зірках або в галактичному середовищі джерело механічної енергії походить від рухів електропровідної рідини - наприклад, рідкого металу або плазми - на ці рухи може впливати магнітне поле, яке вони підтримують (що, очевидно, не стосується велосипеда).
Дійсно, магнітне поле та потік електропровідної рідини зазнають зв’язаної еволюції, що описується рівняннями магнітогідродинаміки. Магнітне поле діє через силу Лапласа на рухи рідини, що несе електричні заряди, в той час як вони індукують електричні струми, які в свою чергу можуть регенерувати магнітне поле. Але щоб процес був самопідтримуючим, іншими словами, щоб магнітне поле можна було підтримувати, незважаючи на розсіювання ефектом Джоуля, рухи рідини повинні бути сприятливими, що на практиці означає, що обидва вони повинні бути досить складними. і досить міцний, щоб дозволити динамо працювати.
То звідки беруться ці «складні та енергійні» рухи? На жаль, дуже важко теоретично продемонструвати потік, здатний генерувати динамо. У зірках і планетах найбільш широко вивчені сценарії викликають перемішування конвекцією електропровідної оболонки рідини, будь то ядро рідкого металу, атмосфера металевого водню або навіть плазма зірки: рідина, тепліше і легше в глибину, піднімалося б до поверхні, потім остигало і падало назад у вигляді шлейфів. Чисельне моделювання, як правило, показує, що ці конвекційні рухи дійсно змогли б підтримувати у обертовій сферичній оболонці магнітні поля, морфологічно подібні полям Землі, Юпітера або Сонця.
Однак моделі конвективних динамо стикаються з певною кількістю обмежень: невизначена наявність конвекції у внутрішніх місцях планет, несумісність з певними астрофізичними тілами занадто малих розмірів (наприклад, супутниками Юпітера Іо та Ганімеда, або навіть примітивною Місяцем), труднощі з урахуванням великої різноманітності спостережуваних зоряних магнітних полів (наприклад, як пояснити величезну різницю в напруженості магнітного поля між масивними зірками?) ... Усі ці причини допомагають спонукати до пошуку альтернативних сценаріїв "появи динамо у сферичній геометрії, не звертаючись до гіпотези конвекції.
Сценарій, який ми пропонуємо в нашій дослідницькій роботі 1 базується на конкретному потоці, який може розвиватися в рідині, що обертається з різною швидкістю, залежно від її відстані від осі обертання - це називається диференціальним обертанням. Диференціальне обертання всюди присутнє в астрофізиці - в акреційних дисках, планетарній атмосфері або зоряних інтер’єрах: таким чином, виміри, зроблені космічним зондом SoHO, зовсім недавно показали, що серце Сонця обертається набагато швидше, ніж його зовнішній корпус ! 2 Тому природно цікавитись можливими динамо-процесами, що використовують цей механізм ...
РИСУНОК 1: Уявіть собі диск, розрізаний на дві області, внутрішня (світла) область обертається сама по собі з кутовою швидкістю Ω1 і зовнішня (темна) область з кутовою швидкістю Ω2. Якщо Ω1 = Ω2, диск перебуває у суцільному обертанні: дві точки, розташовані на одному радіусі в початковий час (зверху), залишаються такими і пізніше (внизу ліворуч). Якщо Ω1 ≠ Ω2 (приклад праворуч унизу), диск знаходиться в диференціальному обертанні: дві точки, спочатку розташовані на одному радіусі, не залишаються такими.
Давайте тепер розглянемо рідину, що міститься у тонкому просторі між двома сферами, що обертаються з різною кутовою швидкістю (як на схемі на малюнку 2). Якщо внутрішня сфера обертається швидше зовнішньої, і різниця кутових швидкостей \ (\ Delta \ Omega \) між ними перевищує певне критичне значення \ (\ Delta \ Omega_c \), в рідині під впливом розвиваються вихори відцентрової сили. Ці вихори мають форму торичних роликів, розташованих в екваторіальній області, і які називаються роликами Тейлора-Куетта. (Див. Схему на малюнку 2b. Ми можемо спостерігати ті самі валки в циліндричній оболонці, що і на відео цього експерименту:
У випадку з циліндром вихори утворюються на всю висоту рідини, тоді як у кулі вони зосереджені біля екватора, тобто там, де стінки майже вертикальні). У міру збільшення різниці кутових швидкостей між двома сферами ролики Тейлора-Куетта починають проявляти хвилеподібність в азимутальному напрямку (див. Схему на рис. 2в), тоді їх структура ускладнюється, оскільки потік стає все більш турбулентним.
РИСУНОК 2: (а) Сферичний потік Куете: зовнішня сфера (синім кольором) обертається з кутовою швидкістю Ω2, внутрішня сфера (коричневою) з кутовою швидкістю Ω1, з ΔΩ = Ω1-Ω2. Рідина заповнює простір між ними (чорним кольором). (b) Збільшити (в розрізі меридіана) екваторіальну область, де розташовані ролики Тейлора-Куетта, для ΔΩ> Δωc. (c) Кожен рулет має форму тора (або пампушки). Коли ΔΩ досить великий, пончики деформуються і пульсації з’являються в азимутальному напрямку (тобто напрямку, який «обертається» навколо осі обертання).
РИСУНОК 3: Приклад динамо Тейлора-Куетта у сферичній оболонці, збільшуючи масштаб екваторіальної області (у розрізі меридіана). Зображення зліва представляє радіальну складову швидкості рідини, в якій може спостерігатися підпис накладених роликів. Зображення праворуч представляє насичену магнітну енергію. Ці два знімки отримані з нашого цифрового моделювання.
У випадку сферичного динамо-Тейлора-Куетта підтримуване таким чином магнітне поле по суті зосереджене в екваторіальній області, на рівні вихорів (див. Малюнок 3). Коли він стає достатньо сильним, він деформує вихори, які потім представляють азимутальні хвилеподібні хвилі, подібні до тих, що спостерігаються, навіть за відсутності магнітного поля, для досить великої різниці кутових швидкостей \ (\ Delta \ Omega \) (як на схемі на малюнку 2в). І дивно, але динамо здається особливо ефективним, коли кількість пульсацій, утворених магнітним полем у роликах, є такою ж, як кількість спонтанно поданих роликів за відсутності магнітного поля для того самого \ (\ Delta \ Omega \) - це явище резонансу.
Очевидно, що жодне числове моделювання не може на сьогоднішній день моделювати потоки настільки складні і такі бурхливі, як ті, які, ймовірно, панують у планетарних або зоряних інтер'єрах: отже, ми можемо лише припустити певну стійкість механізму, що спостерігається у відповідних режимах. Для астрофізичних об'єктів ... ця нова модель динамо, ключовим інгредієнтом є існування зони, навіть дуже вузької, в якій провідна рідина перебуває в диференціальному обертанні. Нарешті, через цю область швидкість обертання повинна зменшуватися досить сильно назовні, щоб ролики могли там розвиватися. Однак наявні в наш час астеро-сейсмологічні дані показують, що певні зірки мають точно сумісні профілі обертання! І якщо реальна присутність сувоїв Тейлора-Куетта в зоряному інтер’єрі все ще є гіпотетичною, тим не менш можна уявити сценарій, коли свитки породили б динамо в серці цих зірок.