Завершен международный проект – построение общей теории динамических приливов. В рамках этой работы предложен подход, обобщающий ряд частных теорий и рассчитаны величины, определяющие орбитальную эволюцию двойных систем, содержащих звезды типа Солнца.
Разработанная в ФИАНе общая теория динамических приливов развивает и обобщает известные теории Занна, В. Пресса и С. Тьюкольского. Полученные результаты могут быть непосредственно применены к объяснению орбитальных параметров систем, содержащих двойные звезды, планеты-гиганты и коричневые карлики с орбитальными периодами в несколько земных дней (см. рисунок 1).
Рисунок 1. Характерное время эволюции большой полуоси массивной планеты, находящейся на орбите вокруг звезды солнечного типа (в годах) в зависимости от орбитального периода (в днях). Штриховая, сплошная и пунктирная линии соответствуют массам планеты 10, 1, 0,1 массы Юпитера
Теоретиками было доказано, что, если известен механизм диссипации свободных колебаний нормальных мод звезды и известны параметры орбиты, то приливные взаимодействия полностью определяются важнейшими характеристиками – т.н. интегралами перекрытия и их зависимостью от собственных частот нормальных колебаний. Для вращающихся звезд типа Солнца эти величины были определены аналитически и рассчитаны численно в рамках так называемого традиционного приближения и приближения Каулинга, причем темп вращения не предполагался малым. Оба метода показали превосходное согласие друг с другом. По этой теме были опубликованы две статьи в международном журнале «Monthly Notices of Royal Astronomical Society».
В настоящее время разработанная теория применяется для изучения приливных взаимодействий более массивных звезд, обладающих конвективным ядром. В этом случае как численные, так и аналитические расчеты значительно затруднены из-за пекулярного поведения частоты Брента-Вяйсяля[1] при переходе к конвективному ядру, что заставляет применять более сложные методы расчетов.
В рамках этих исследований, фиановцы, совместно с коллегами из Кембриджского и Лондонского университетов, предложили теорию орбитальной миграции массивного тела (черной дыры или протопланеты), погруженного в аккреционный диск и имеющего направление орбитального движения в сторону, противоположную направлению вращения диска.
Была рассчитана структура протопланетных или аккреционных дисков, содержащих объект, двигающийся в сторону, противоположную вращению диска, и орбитальная эволюция этого объекта.
В случае протопланетных систем, такая ситуация может возникнуть из-за гравитационного взаимодействия системы протопланет друг с другом и протопланетным диском. Это взаимодействие может привести к тому, что одна из протопланет изменит направление своего орбитального движения.
По словам ведущего научного сотрудника Отдела теоретической астрофизики АКЦ ФИАН Павла Борисовича Иванова,
«дополнительной мотивацией в этих исследованиях является то обстоятельство, что подобные системы также возможны в галактических центрах, находящихся на ранних этапах своей эволюции, где, как полагают, происходит процесс слияния галактик с формированием двойных сверхмассивных черных дыр, окруженных аккреционным диском. Причем направление орбитального движения такого объекта никак не скоррелировано с направлением движения вещества в аккреционном диске и поэтому может быть направлено как в сторону вращения диска, так и в противоположную сторону».
Были разработаны аналитические методы и численный подход к этой проблеме, основанный на решении вертикально-проинтегрированных уравнений Навье-Стокса для разных параметров задачи.
Было показано, что, вопреки обычным ожиданиям, для достаточно большого отношения масс, возможно открытие щели в газовом диске и для таких систем, хотя механизм этого процесса может быть существенно разным для систем, обладающих как малым, так и достаточно большим эксцентриситетом, соответственно (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Распределение поверхностной плотности в аккреционном диске, в который помещен компаньон массой 0,01 массы центрального тела, вращающейся по круговой орбите, противоположной направлению вращения газа диска. Распределение показано, после того, как компаньон совершил 50 оборотов после погружения в диск
Для систем с малым эксцентриситетом была разработана полуаналитическая теория открытия щели, орбитальной эволюции и набора массы обоими компонентами, дающая весьма хорошее согласие с численным расчетом.
В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
__________________________________________
[1] Частота Брента-Вяйсяля (частота плавучести) названа в честь британского метеоролога Дэвида Брента и финского метеоролога Вилхо Вяйсяля. В механике сплошных сред это – частота, с которой элемент жидкости, перемещённый вертикально в стратифицированной среде будет в этой среде осциллировать. Используется для определения условий устойчивой или неустойчивой стратификации в океанологии, метеорологии и геофизике. К тексту
