Magnetisk bremsing (astronomi) - Magnetic braking (astronomy)

Magnetfeltlinjene roterer sammen med Solen som et fast objekt. Ionisert materiale båret langs feltlinjene vil på et tidspunkt unnslippe magnetfeltlinjene og dermed fjerne solens vinkelmoment${\ displaystyle r_ {c}}$

Magnetbremse er en teori som forklarer tap av stellar spinn på grunn av materialet bli fanget av stellar magnetfelt og kastet ut på stor avstand fra overflaten av stjernen. Det spiller en viktig rolle i utviklingen av binære stjernesystemer .

Problemet

Den nåværende aksepterte teorien om solsystemets utvikling sier at solsystemet stammer fra en sammentrekkende gasssky. Som sky kontrakter, den spinn må bevares . Enhver liten nettrotasjon av skyen vil føre til at spinnet øker når skyen kollapser, og tvinger materialet til en roterende disk. I det tette midten av denne skiven dannes det en protostjerne , som får varme fra gravitasjonsenergien til kollapsen. Når kollapsen fortsetter, kan rotasjonshastigheten øke til det punktet hvor den akkreterende protostjernen kan bryte opp på grunn av sentrifugalkraft ved ekvator. ${\ displaystyle L}$

Dermed må rotasjonshastigheten bremses i løpet av de første 100 000 årene av stjernens liv for å unngå dette scenariet. En mulig forklaring på bremsingen er samspillet mellom protostjernens magnetfelt og stjernevind. Når det gjelder vår egen sol, når planetenes vinkelmoment blir sammenlignet med solens egen, har solen mindre enn 1% av det antatte vinkelmomentet. Med andre ord har solen bremset rotasjonen mens planetene ikke har gjort det.

Ideen bak magnetisk bremsing

Ionisert materiale fanget opp av magnetfeltlinjene vil rotere med Solen som om det var en solid kropp. Ettersom materiale rømmer fra solen på grunn av solvinden , vil det høyt ioniserte materialet bli fanget opp av feltlinjene og rotere med samme vinkelhastighet som solen, selv om det bæres langt bort fra solens overflate, til det til slutt rømmer . Denne effekten av å bære masse langt fra sentrum av solen og kaste den bremser solens spinn. Den samme effekten brukes for å bremse spinnet til en roterende satellitt ; her spoler to ledninger ut vekter til en avstand som bremser satellittene, deretter kuttes ledningene, slik at vektene slipper ut i verdensrommet og frarøver romfartøyet permanent vinkelmomentet .

Teori bak magnetisk bremsing

Ettersom ionisert materiale følger solens magnetfeltlinjer, på grunn av effekten av feltlinjene som er frosset i plasmaet , føler de ladede partiklene en kraft av størrelsen: ${\ displaystyle \ mathbf {F}}$

${\ displaystyle \ mathbf {F} = q \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}}$

hvor er ladningen, er hastigheten og er magnetfeltvektoren. Denne bøyeaksjonen tvinger partiklene til å " korkeskrue " rundt magnetfeltlinjene mens de holdes på plass av et "magnetisk trykk" , eller "energitetthet", mens de roterer sammen med solen som et fast legeme: ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle \ mathbf {v}}$${\ displaystyle \ mathbf {B}}$${\ displaystyle P_ {B}}$

${\ displaystyle P_ {B} = {\ frac {B^{2}} {2 \ mu _ {0}}}}$

Siden magnetfeltstyrken avtar med avstandens kube, vil det være et sted hvor det kinetiske gasstrykket til den ioniserte gassen er stort nok til å bryte vekk fra feltlinjene: ${\ displaystyle P_ {g}}$

${\ displaystyle P_ {g} = nmv^{2}}$

hvor n er antall partikler, m er massen til den enkelte partikkel og v er radialhastigheten vekk fra solen, eller hastigheten til solvinden.

På grunn av stjernevindens høye ledningsevne synker magnetfeltet utenfor solen med radius som vindens massetetthet, dvs. nedgang som invers kvadratisk lov. Magnetfeltet er derfor gitt av

${\ displaystyle B (r) = B_ {s} {\ frac {R^{2}} {r^{2}}}}$

hvor er magnetfeltet på overflaten av solen og er dens radius. Den kritiske avstanden der materialet vil bryte vekk fra feltlinjene kan deretter beregnes som avstanden der det kinetiske trykket og det magnetiske trykket er likt, dvs. ${\ displaystyle B_ {s}}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle P_ {B} = P_ {g} \ Høyre pil}$

${\ displaystyle {\ frac {B (r_ {c})^{2}} {2 \ mu _ {0}}} = nmv^{2} \ Rightarrow}$

${\ displaystyle {\ frac {B_ {s}^{2} R^{4}} {2 \ mu _ {0} r_ {c}^{4}}} = nmv^{2}}$

Hvis tapet av solmasse er rundstrålende, er massetapet ; ved å koble dette til ligningen ovenfor og isolere den kritiske radius følger det ${\ displaystyle nm = {\ frac {dM/dt} {4 \ pi r^{2} v}}}$

${\ displaystyle r_ {c} = R \ venstre ({\ frac {2 \ pi B_ {s}^{2} R^{2}} {\ mu _ {0} v {\ dot {M}}}} \ høyre)^{1 \ over 2}}$

Dagens verdi

For tiden anslås det at:

• Massetapet av Solen er omtrent ${\ displaystyle {\ dot {M}} = dM/dt = 2 \ cdot 10^{9} \, {\ rm {kg/s}}}$
• Solvindhastigheten er ${\ displaystyle v = 5 \ cdot 10^{5} \, {\ rm {m/s}}}$
• Magnetfeltet på overflaten er ${\ displaystyle B_ {s} \ ca 10^{-4} {\ rm {T}}}$
• Solradiusen er ${\ displaystyle R = 7 \ cdot 10^{5} \, {\ rm {km}}}$

Dette fører til en kritisk radius . Dette betyr at det ioniserte plasma vil rotere sammen med Solen som et fast legeme til det når en avstand på nesten 15 ganger solens radius; derfra vil materialet bryte av og slutte å påvirke solen. ${\ displaystyle r_ {c} = 15R _ {\ odot}}$

Mengden solmasse som må kastes ut langs feltlinjene for å få Solen til å slutte å rotere helt kan deretter beregnes ved hjelp av det spesifikke vinkelmomentet:

${\ displaystyle {\ frac {j _ {\ odot}} {j_ {c}}} = \ venstre ({\ frac {R _ {\ odot}} {r_ {c}}} \ høyre)^{2} \ ca. 0,5 \%}$

Det har blitt antydet at solen mistet en tilsvarende mengde materiale i løpet av sin levetid.

Svekket magnetisk bremsing

I 2016 publiserte forskere ved Carnegie Observatories en undersøkelse som antydet at stjerner på et lignende livsfase som solen snurret raskere enn magnetiske bremseteorier forutslo. For å beregne dette fant de de mørke flekkene på overflaten av stjerner og sporet dem mens de beveget seg med stjernenes spinn. Selv om denne metoden har vært vellykket for å måle spinnet til yngre stjerner, viste det seg at den "svekkede" magnetiske bremsingen i eldre stjerner var vanskeligere å bekrefte, ettersom sistnevnte notorisk har færre stjerneflekker. I en studie publisert i Nature Astronomy i 2021 brukte forskere ved University of Birmingham en annen tilnærming, nemlig asteroseismologi , for å bekrefte at eldre stjerner ser ut til å rotere raskere enn forventet.

Se også

• Kraftpause
• Stjernemagnetisk felt
• Stjerne rotasjon

Referanser