Ударная волна - Bow shock

Л.Л. Орионис лук шок в Туманность Ориона. Звездный ветер сталкивается с потоком туманности.
Хаббл, 1995 г.

Об аналогичном эффекте для летающих объектов в атмосфере см. Носовой амортизатор (аэродинамика).

В астрофизика, а ударная волна происходит, когда магнитосфера астрофизического объекта взаимодействует с близлежащим потоком окружающей среды плазма такой как Солнечный ветер. Для Земли и других намагниченных планет это граница, на которой скорость звездного ветра резко падает в результате его приближения к магнитопауза. Для звезд эта граница обычно является краем астросфера, где звездный ветер встречает межзвездная среда.^[1]

Описание

Определяющий критерий ударная волна заключается в том, что объемная скорость плазма падает с "сверхзвуковой "на" дозвуковой ", где скорость звука c_s определяется${\displaystyle c_{s}^{2}=\gamma p/\rho }$где ${\displaystyle \gamma }$ это соотношение удельных теплоемкостей, ${\displaystyle p}$ это давление, и ${\displaystyle \rho }$ - плотность плазмы.

Распространенным осложнением астрофизики является наличие магнитного поля. Например, заряженные частицы, составляющие солнечный ветер, движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Скорость каждой частицы, когда она вращается вокруг силовой линии, можно рассматривать так же, как тепловую скорость в обычном газе, а в обычном газе средняя тепловая скорость примерно равна скорости звука. В головной скачке уплотнения общая скорость ветра (составляющая скорости, параллельная силовым линиям, вокруг которых вращаются частицы) падает ниже скорости, с которой вращаются частицы.

Вокруг Земли

Наиболее изученным примером головной ударной волны является ударная волна, возникающая там, где встречает солнечный ветер. Земля магнитопаузы, хотя изгибные удары происходят вокруг всех планет, как ненамагниченных, таких как Марс^[2] и Венера ^[3] и намагниченные, такие как Юпитер^[4] или Сатурн.^[5] Толщина носовой ударной волны Земли составляет около 17 километров (11 миль).^[6] и расположен примерно в 90 000 километров (56 000 миль) от планеты.^[7]

У комет

Удары лука образуются при кометы в результате взаимодействия солнечного ветра и кометной ионосферы. Вдали от Солнца комета представляет собой ледяной валун без атмосферы. По мере приближения к Солнцу тепло солнечного света вызывает выделение газа из ядра кометы, создавая атмосферу, называемую кома. Кома частично ионизируется солнечным светом, и когда солнечный ветер проходит через эту ионную кому, возникает головная ударная волна.

Первые наблюдения были сделаны в 1980-х и 90-х годах, когда несколько космических аппаратов пролетели мимо комет. 21P / Джакобини – Зиннер,^[8] 1П / Галлея,^[9] и 26P / Grigg – Skjellerup.^[10] Затем было обнаружено, что ударные волны у комет шире и более постепенные, чем резкие толчки, наблюдаемые, например, на Земле. Все эти наблюдения были сделаны около перигелий когда носовые амортизаторы уже были полностью развиты.

В Розетта космический корабль следует за кометой 67P / Чурюмов – Герасименко издалека в Солнечной системе, на гелиоцентрическом расстоянии 3,6 Австралия, в направлении перигелия на 1,24 а.е. и снова обратно. Это позволило Розетте наблюдать ударную волну, образовавшуюся при увеличении выделения газа во время движения кометы к Солнцу. На этой ранней стадии развития шок назывался «детский шок из лука».^[11] Ударная волна младенческой формы лука асимметрична и, по отношению к расстоянию до ядра, шире, чем полностью развитая форма ударной волны.

Вокруг Солнца

Основная статья: Гелиосфера § Ударная волна

В течение нескольких десятилетий считалось, что солнечный ветер формирует головную ударную волну на краю гелиосфера, где он сталкивается с окружающей межзвездной средой. При удалении от Солнца точка, где поток солнечного ветра становится дозвуковым, является точкой завершающий шок, точка баланса давления межзвездной среды и солнечного ветра гелиопауза, а точка, в которой течение межзвездной среды становится дозвуковым, будет головной ударной волной. Считалось, что эта солнечная ударная волна находится на расстоянии около 230 а.е.^[12] от Солнца - более чем вдвое превышает расстояние конечной ударной волны, с которым сталкивается космический корабль «Вояджер».

Однако данные, полученные в 2012 году от НАСА Исследователь межзвездных границ (IBEX) указывает на отсутствие какой-либо солнечной ударной волны.^[13] Наряду с подтверждающими результатами Космический корабль "Вояджер" эти результаты послужили поводом для некоторых теоретических уточнений; В настоящее время считается, что образование головной ударной волны предотвращается, по крайней мере, в галактической области, через которую проходит Солнце, за счет комбинации силы местного межзвездного магнитного поля и относительной скорости гелиосферы.^[14]

Вокруг других звезд

В 2006 г. вблизи Звезда AGB R Hydrae.^[15]

Ударная волна вокруг R Hydrae^[16]

Амортизаторы из лука также являются обычным явлением в Объекты Хербига Аро, в котором гораздо сильнее коллимированный истечение газа и пыли из звезды взаимодействует с межзвездной средой, создавая яркие головные ударные волны, которые видны в оптических длинах волн.

На следующих изображениях показаны дополнительные доказательства существования головной ударной волны от плотных газов и плазмы в Туманность Ориона.

• 
• 
• 
• 

Вокруг массивных звезд

Если массивная звезда убегающая звезда, это может сформировать инфракрасный ударная волна, обнаруживаемая в 24 мкм, а иногда и в 8 мкм Космический телескоп Спитцера или W3 / W4-каналы Мудрый. В 2016 году Кобульницкий и др. действительно создал самый большой на сегодняшний день каталог луковых амортизаторов Spitzer / WISE, в который вошло 709 кандидатов.^[17] Чтобы получить больший каталог луковых амортизаторов Проект Млечный Путь (а Гражданская наука проект) направлен на отображение инфракрасных ударных волн в галактической плоскости. Этот более обширный каталог поможет понять звездный ветер массивных звезд.^[18]

Зета Змееносец это самый известный лучешок массивной звезды. Изображение получено с космического телескопа Спитцер.

Ближайшие звезды с инфракрасными луковыми ударами:

имя	Расстояние (ПК )	Спектральный тип	Принадлежит
* ставка Крю	85	B1IV	Нижняя подгруппа Centaurus-Crux
* Альф Мус	97	B2IV	Нижняя подгруппа Centaurus-Crux
* Альф Крю	99	B1V + B0,5IV	Нижняя подгруппа Centaurus-Crux
* Зет Оф	112	O9.2IVnn	Подгруппа верхнего Скорпиона
* tet Car	140	B0Vp	IC 2602
* tau Sco	145	B0,2 В	Подгруппа верхнего Скорпиона
* дель Ско	150	B0.3IV	Подгруппа верхнего Скорпиона
* eps за	195	B1.5III
* sig Sco	214	O9,5 (В) + B7 (В)	Подгруппа верхнего Скорпиона

Большинство из них относятся к Ассоциация Скорпион – Центавр и Theta Carinae, которая является самой яркой звездой IC 2602, также может принадлежать к подгруппе Lower Centaurus-Crux. Эпсилон Персей не принадлежит к этому звездная ассоциация.^[19]

Эффект магнитной драпировки

Подобный эффект, известный как эффект магнитного драпирования, возникает, когда поток суперальвеновской плазмы ударяется о немагнитный объект, например, когда солнечный ветер достигает ионосферы Венеры:^[20] поток отклоняется от объекта, магнитное поле по кильватерному потоку.^[21]

Условие суперальфвенического потока означает, что относительная скорость потока и объекта, ${\displaystyle v}$, больше местного Альвеновская скорость ${\displaystyle V_{A}}$ что означает большое альфвеновское число Маха: ${\displaystyle M_{A}\gg 1}$. Для немагниченных и электропроводящий объекты, окружающее поле создает электрические токи внутри объекта и в окружающую плазму, так что поток отклоняется и замедляется в масштабе времени магнитного поля. рассеяние намного длиннее временной шкалы магнитного поля адвекция. Индуцированные токи, в свою очередь, создают магнитные поля, которые отклоняют поток, создавая ударную волну. Например, ионосферы Марса и Венеры обеспечивают проводящую среду для взаимодействия с солнечным ветром. Без ионосферы текущая намагниченная плазма поглощается непроводящим телом. Последнее происходит, например, при взаимодействии солнечного ветра с Луна у которого нет ионосферы. При магнитной драпировке силовые линии охватывают переднюю сторону объекта, образуя узкую оболочку, подобную ударным волнам в планетарных магнитосферах. Сосредоточенное магнитное поле увеличивается до тех пор, пока давление тарана становится сопоставимым с магнитное давление в ножнах:

${\displaystyle \rho _{0}v^{2}={\frac {B_{0}^{2}}{2\mu _{0}}},}$

где ${\displaystyle \rho _{0}}$ - плотность плазмы, ${\displaystyle B_{0}}$ - драпирующее магнитное поле около объекта, а ${\displaystyle v}$ - относительная скорость между плазмой и объектом. Магнитное драпирование было обнаружено вокруг планет, лун, солнечных корональных выбросов массы и галактик.^[22]

Смотрите также

• Ударная волна
• Ударные волны в астрофизике
• Heliosheath
• Ферми свечение
• Носовой амортизатор (аэродинамика)

Заметки

1. Sparavigna, A.C .; Р. Мараццато (10 мая 2010 г.). «Наблюдение за толчками из лука звезды». arXiv:1005.1527 [Physics.space-ph ].
2. Mazelle, C .; Winterhalter, D .; Sauer, K .; Trotignon, J.G .; и другие. (2004). "Удар из лука и восходящие явления на Марсе". Обзоры космической науки. 111 (1): 115–181. Bibcode:2004ССРв..111..115М. Дои:10.1023 / B: SPAC.0000032717.98679.d0.
3. Martinecz, C .; и другие. (2008). «Расположение головной ударной волны и границы ионного состава на Венере - начальные определения Венеры по экспрессу ASPERA-4». Планетарная и космическая наука. 56 (6): 780–784. Bibcode:2008P & SS ... 56..780M. Дои:10.1016 / j.pss.2007.07.007.
4. Сего, Кароли (18 июля 2003 г.). "Измерения с помощью плазменного спектрометра Кассини структуры головной ударной волны Юпитера". Журнал геофизических исследований: космическая физика. 108 (A7): 1287. Bibcode:2003JGRA..108.1287S. Дои:10.1029 / 2002JA009517. Архивировано из оригинал на 2013-12-06. Получено 2013-11-27.
5. «Кассини встречает ударную волну Сатурна». Кафедра физики и астрономии, Университет Айовы.
6. «Кластер показывает, что ударная волна Земли очень тонкая». Европейское космическое агентство. 16 ноября 2011 г.
7. «Кластер показывает перестройку ударной волны Земли». Европейское космическое агентство. 11 мая 2011г.
8. Джонс, Д. Э .; Smith, E.J .; Славин, Дж. А .; Цурутани, Б. Т .; Siscoe, G.L .; Мендис, Д. А. (1986). "Носовая волна кометы Джакобини-Циннера - наблюдения магнитного поля ICE". Geophys. Res. Латыш. 13 (3): 243–246. Bibcode:1986GeoRL..13..243J. Дои:10.1029 / GL013i003p00243.
9. Gringauz, K. I .; Gombosi, T. I .; Ремизов, А.П .; Szemerey, I .; Веригин, М. И .; и другие. (1986). «Первые измерения плазмы и нейтрального газа на комете Галлея». Природа. 321: 282–285. Bibcode:1986Натура.321..282Г. Дои:10.1038 / 321282a0.
10. Neubauer, F.M .; Marschall, H .; Pohl, M .; Glassmeier, K.-H .; Musmann, G .; Мариани, Ф .; и другие. (1993). «Первые результаты эксперимента на магнитометре Джотто во время встречи П. / Григга-Скьеллерупа». Астрономия и астрофизика. 268 (2): L5 – L8. Bibcode:1993A & A ... 268L ... 5N.
11. Gunell, H .; Goetz, C .; Саймон Ведлунд, C .; Lindkvist, J .; Hamrin, M .; Nilsson, H .; LLera, K .; Eriksson, A .; Хольмстрём, М. (2018). «Детский шок из лука: новый рубеж при слабой комете активности» (PDF). Астрономия и астрофизика. 619: L2. Bibcode:2018A & A ... 619L ... 2G. Дои:10.1051/0004-6361/201834225.
12. «Астрономическая картинка дня: 24 июня 2002 г. - гелиосфера и гелиопауза Солнца».
13. НАСА - IBEX обнаруживает недостающую границу на краю Солнечной системы
14. МакКомас, Д. Дж .; Алексашов, Д .; Bzowski, M .; Fahr, H .; Heerikhuisen, J .; Измоденов, В .; Lee, M. A .; Möbius, E .; Погорелов, Н .; Schwadron, N.A .; Занк, Г. П. (2012). "Межзвездное взаимодействие гелиосферы: без удара лука". Наука. 336 (6086): 1291–1293. Bibcode:2012Наука ... 336.1291M. Дои:10.1126 / science.1221054. PMID  22582011.
15. Обнаружение дальнего инфракрасного луча туманности ударной волны вокруг R Hya: первые результаты MIRIAD
16. Пресс-релиз научного центра "Спитцер": Красный гигант пролетает сквозь космос
17. "ВизиР". vizier.u-strasbg.fr. Получено 2017-04-28.
18. "Zooniverse". www.zooniverse.org. Получено 2017-04-28.
19. melinasworldblog (26.04.2017). "Close Bowshocks". Мир Мелины. Получено 2017-04-28.
20. Лютиков, М. (2006). «Магнитное драпирование сливающихся ядер и радиопузырьков в скоплениях галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 373 (1): 73–78. arXiv:astro-ph / 0604178. Bibcode:2006МНРАС.373 ... 73Л. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2006.10835.x.
21. Shore, S. N .; ЛаРоса, Т. Н. (1999). "Изолированные нетепловые нити центра Галактики как аналоги хвостов кометной плазмы". Астрофизический журнал. 521 (2): 587–590. arXiv:Astro-ph / 9904048. Bibcode:1999ApJ ... 521..587S. Дои:10.1086/307601.
22. Пфроммер, Кристоф; Дурси, Л. Джонатан (2010). «Обнаружение ориентации магнитных полей в скоплениях галактик». Природа Физика. 6 (7): 520–526. arXiv:0911.2476. Bibcode:2010НатФ ... 6..520П. Дои:10.1038 / NPHYS1657.

использованная литература

• Kivelson, M. G .; Рассел, К. Т. (1995). Введение в космическую физику. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. п.129. ISBN  978-0-521-45104-8.
• Кравенс, Т. Э. (1997). Физика плазмы Солнечной системы. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. п.142. ISBN  978-0-521-35280-2.

внешние ссылки

• НАСА Astronomy Picture of the Day: Изображение ударной волны из лука (BZ Cam) (28 ноября 2000 г.)
• NASA Astronomy Picture of the Day: Изображение ударной волны из лука (IRS8) (17 октября 2000 г.)
• Астрономическое изображение дня НАСА: Зета Оф: Сбежавшая звезда (8 апреля 2017 г.)
• Изображение удара лука (HD77581)
• Изображение шока лука (LL Ori)
• Подробнее о Путешественники
• Услышьте удар из лука Юпитера (от Университета Айовы)
• Космический аппарат-кластер делает шокирующее открытие (Planetary Bow Shock)