Оглавление
Введение 5
Глава 1. Теория кавитации: основные понятии и методы исследования 19
§1.1. Общие представления о процессе кавитации.......19
§1.2. Основные уравнения теории кавитации............21
§1.3. Колебания каверны, заполненной газом, в несжимаемой жидкости......................................23
§1.4. Коллапс газовой каверны в жидкости под действием внешнего акустического поля.....................27
§1.5. Астрофизические приложения теории кавитации 29
Глава 2. Магнитокавитационная модель квазипернодичес-ких колебаний рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд 32
§2.1. Основные соотношения магнитокавитационной
модели..........................................34
§2.2. Вывод уравнения, описывающего изменение радиуса альвеновской поверхности.......................35
§2.3. Линейное приближение и численные опенки периодов колебаний.....................................37
§2.4. Нелинейные колебания...........................40
§2.5. Связь между частотой квазипериодических колебаний и рентгеновской светимостью нейтронной звезды...........................................42
§2.6. Динамика магнитосферы нейтронной звезды
2
во внешнем иоле колебаний аккрецируемой плазмы. Интерпретация запаздывания квазипе-риодических колебаний жесткого рентгеновского излучения по отношению к квазипериоди-ческим колебаниям мягкого рентгеновского
диапазона........................................43
§2.7. Обсуждение результатов..........................48
Глава 3. Фотопиокавитациониая модель квазинериодичес-ких колебаний рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд, светимость которых достигает критического значения 50
§3.1. Основные соотношения фотон нокавитацион-
ной модели.......................................51
§3.2. Вывод уравнения, описывающего изменение радиуса фотонной каверны...............................52
§3.3. Линейная аппроксимация колебательного процесса................................................53
§3.4. Исследование нелинейных колебаний...............55
§3.5. Объяснение запаздывания квазииериодичес-ких колебаний мягкого рентгеновского излучения по сравнению с квазипериодическими колебаниями жесткого рентгеновского излучения..................................................57
§3.6. Обсуждение результатов..........................57
Глава 4. Машитокавитационная модель космических
гамма-всплесков 59
§4.1. Обзор моделей всплесков космического гамма-излучения.......................................60
§4.2. Сонолюминесценция: основные теоретические и экспериментальные данные.....................66
§4.3. Качественная аналогия между явлениями гамма-всплеска и сонолюминесценции....................68
§4.4. Коллапс квантово-электродинамической замаг-ниченной вакуумной каверны вокруг нейтронной звезды: оценка энергии объема..................71
§4.5. Обсуждение результатов.......................77
Глава 5. Магнитокавитационная модель радиальных ква-
зипсриодических колебаний солнечных пятен 79
§5.1. Основная система соотношений магнитокавитационной модели...................................80
§5.2. Вывод уравнения для радиуса солнечного пятна.................................................83
§5.3. Линейное приближение. Оценки периодов радиальных колебаний.................................84
§5.4. Обсуждение результатов.......................88
Заключение 90
Литература 92
4
Введение
Актуальность темы. Явления квазипериодичности и мощного энерговыделения характерны для многих астрофизических процессов. Среди них квазипериодические колебания рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд, черных дыр, гамма-источников, катаклизмичсских переменных, вспыхивающих звезд и ядер галактик, крутильные и радиальные квазипериодические колебания солнечных пятен, сопровождаемые огромным выделением энергии вспышки новых и сверхновых, взрывы в ядрах активных галактик, солнечные вспышки, всплески космического гамма-излучения.
Квазипериодические колебания рентгеновского излучения впервые были обнаружены в 1984 году спутником ЕХОЯАТ с частотами десятки герц и в 1996 году спутником ЯХТЕ с частотами сотни герц - более одного килогерца у маломассивных рентгеновских двойных. С тех пор были предложены ряд механизмов для интерпретации этих колебаний, например: 1) биение частот, когда частота колебаний рентгеновской яркости равна разности частот кеплеров-ского движения аккрецируемого вещества в аккреционном диске и частот собственного вращения нейтронной звезды; 2) нестабильность последней круговой орбиты, при этом частота колебаний определяется частотой кеплеровского движения аккрецируемого вещества в аккреционном диске по этой орбите; 3) фотоннопузырьковая неустойчивость, в этом случае колебания рентгеновской светимости происходят в результате изменения количества фотонных пузырьков в аккреционной колонке нейтронной звезды. Од-
нако в рамках этих и ряда других механизмов не удастся объяснить всех особенностей квазипериодических осцилляций, в частности, корреляцию между частотой колебаний и скоростью счета в рентгеновском диапазоне. Таким образом, вопрос о возникновении колебаний рентгеновского блеска остается открытым.
К числу малоизученных астрофизических процессов относятся и космические гамма-всплески. Впервые они были зарегистрированы 2 июля 1967 года американским спутником Vela4a с энергией фотонов в диапазоне 0.1-1 МэВ. Несмотря на то, что с того времени прошло более 30 лет природа гамма-всплесков пока не установлена. Рассматривались различные модели, в которых происхождение гамма-всплесков было связано с солнечными корональными выбросами, активностью комет облака Оорта, звездными вспышками, аккрецией комет на одиночные белые карлики или нейтронные звезды, аккрецией газа на компактный объект при вспышке нормальной звезды в тесной двойной системе, активными процессами в магнитосфере или внутри нейтронных звезд, столкновением галактических магнитных облаков, взрывами сверхновых, коллапсом сверхмассивных магнитных звезд в ядрах активных галактик, слиянием двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Некоторые из этих моделей сталкиваются с определенными трудностями, в частности, при интерпретации наблюдаемых значений параметров всплесков гамма-излучения, а ряд других моделей пока не имеют экспериментальных подтверждений. Поэтому вопрос о происхождении гамма-всплесков Fie теряет своей актуальности в настоящее время.
В диссертации для объяснения этих процессов разработаны новые модели, в основе которых лежат методы теории кавитации.
6
Приведенные в диссертационной работе сравнения результатов модельных расчетов находятся в хорошем согласии с данными наблюдений.
В данной работе также показано, что на основе методов кавитации можно дать объяснение радиальным квазипериодическим колебаниям солнечных пятен, наблюдаемым в длинноволновом диапазоне десятки - сотни минут.
Мель работы. Основная цель данной диссертации заключалась в применении методов теории кавитации к исследованию астрофизических процессов, протекающих в космической плазме и в той или иной мере сходными с процессами колебания и коллапса газовых каверн, находящихся в жидкости. Для этого, используя аналогию между указанными выше процессами в жидкости и подобными им в космической плазме, на базе теории кавитации были предложены и разработаны магнитокавитационная модель квазипериоди-ческих колебаний рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд, фотоннокавитационная модель квазипериодических колебаний рентгеновского излучения нейтронных звезд с критической свегимостыо, магнитокавитационная модель космических гамма-всплесков и магнитокавитационная модель радиальных квазипериодических колебаний солнечных пятен.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые предложена и разработана магнитокавитационная модель квазипериодических колебаний рентгеновского излучения аккрецирующих нейтронных звезд. В рамках этой модели выведены формулы для периодов колебаний рентгеновского излуче-
7
ния. Предсказывается, что квазипериодические колебания в жестком рентгеновском диапазоне запаздывают по сравнению с квазинериодическими колебаниями в мягком диапазоне.
2. Для объяснения квазинериодических колебаний рентгеновского излучения нейтронных звезд, светимость которых достигает критического значения, построена фотоннокавитационная модель. Получены аналитические выражения для периодов колебаний излучения. Согласно предлагаемой модели, квазипериодические колебания мягкого рентгеновского излучения запаздывают но отношению к квазипериодическим колебаниям в жестком рентгеновском диапазоне.
3. На основе магнитокавитационной модели предложено объяснение явления космических гамма-всплесков. В качестве источника выделяемой при всплеске энергии рассматривается сильно за-магниченный вакуум, энергия которого преобразуется в энергию гамма-излучения в результате коллапса вакуумной полости (магнитосферы нейтронной звезды), окружающей нейтронную звезду с очень большим магнитным полем. Сделана оценка величины энергии, генерируемой при гамма-всплеске, которая хорошо соответствует величине энерговыделения, полученной из данных наблюдений. В этой модели также имеет место явление релятивистского файербола, сопровождающееся рентгеновским, оптическим, инфракрасным и радио- послесвечениями.
4. Показано, чго наблюдения квазинериодических колебаний излучения тесных двойных систем могут быть использованы для определения величин напряженности магнитных полей в этих объектах, гак как полученные в данной работе периоды колебаний зависят от величины магнитного поля.
8
- Київ+380960830922