научная статья по теме О ДИНАМИКЕ РАЗРУШЕНИЯ МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКОВ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «О ДИНАМИКЕ РАЗРУШЕНИЯ МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКОВ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 2, с. 128-138

УДК 524.527.7-468

О ДИНАМИКЕ РАЗРУШЕНИЯ МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКОВ

УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ

© 2007 г. Е. Е. Матвиенко, Ю. А. Щекинов

Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону, Россия Поступила в редакцию 20.04.2006 г.; после доработки 07.07.2006 г.

Рассматривается влияние нерегулярности структуры межзвездного облака на динамику его разрушения ударной волной от сверхновой. Показано, что нерегулярные облака разрушаются в два раза быстрее сферических. При этом, однако, фрагменты облаков долгое время сохраняют повышенную плотность и не смешиваются с межоблачным газом. Доля энергии ударной волны, переданной в кинетическую энергию фрагментов в полтора раза больше, чем при дезинтеграции сферического облака. Отмечается, что ударные волны не могут стимулировать гравитационное сжатие облаков.

PACS: 98.38.Am, 98.38.Dq, 95.30.Lz

1. ВВЕДЕНИЕ Вопрос о взаимодействии ударных волн с межзвездными облаками является одним из фундаментальных в космической газодинамике. Особенностями этого взаимодействия определяется возможность стимулированного звездообразования, общий баланс массы в межзвездной среде (МЗС), перемешивание между химически неоднородными областями межзвездного газа, динамика и наблюдательные свойства остатков сверхновых, каверн, порождаемых звездным ветром и крупномасштабных оболочек, возникающих при коллективном действии множественных сверхновых и звездного ветра. Как правило, при рассмотрении динамических процессов в МЗС неявно предполагается гомогенность, т.е. фазовая однородность среды. Лишь в сравнительно последние годы появились работы, в которых явным образом учитываются эффекты, связанные с присущей МЗС многофаз-ностью. Описание этих эффектов основано на введении в правые части уравнений газодинамики феноменологических источников, связанных с притоком массы, импульса и энергии от облачной компоненты, свойства которой предполагаются заданными. При этом система облаков трактуется либо как динамически неизменный фон [1—4], либо как динамически независимая компонента, описываемая в виде совокупности точечных объектов [5], или как независимая газодинамическая подсистема [6, 7]. Во всех случаях функции, описывающие обмен массой, импульсом и энергией между фазами, основаны на упрощенных оценках эффективности динамического разрушения облаков [1] или на расчетах сферически-симметричного испарения облаков за счет передачи тепла из горячего

окружающего газа [5]. Необходимость такого фе-номенологичского подхода обусловлена в первую очередь тем, что прямое численное моделирование многофазной среды с достаточно высоким пространственным и временным разрешением, способным корректно описывать динамику как на масштабах облаков, так и на глобальных масштабах, включающих множественные облака, чрезвычайно дорогостояще и, по-видимому, в ближайшее время будет недоступно.

До сих пор невыясненным остается и вопрос о том, какую роль играет разрушение облаков собственно на динамику и структуру ударных волн и как этот процесс изменяет условия на скачке. При пересечении облаком фронта ударной волны или при движении его сквозь невозмущенный диффузный газ внешние слои облака турбулизуются за счет неустойчивости Кельвина—Гельмгольца и в конечном счете срываются с него [8, 9]. "Массовое нагружение", которое испытывает при этом ударная волна, может оказаться существенным для ударных волн, распространяющихся по теплой (Т ~ 104 К) диффузной фазе МЗС с концентрацией облаков N ~ 10"3 - 10"2 пк"3 [10, 11]. В самом деле, для сферической ударной волны с радиусом R ~ 100 пк и скоростью расширения vs ~ 30 км с"1 поступление массы на фронт за счет разрушения облаков может составить ~10"2 год"1, что сравнимо с поступлением массы от диффузной компоненты. В таких условиях можно ожидать, что характеристики газа сразу за фронтом отличаются от тех, которые определяются стандартными законами сохранения.

В этих условиях особую актуальность приобретает детальное численное исследование процесса разрушения облаков ударными волнами, которое бы позволило понять особенности динамики перехода части вещества из облака в межоблачную фазу и сопутствующей этому переходу передачи импульса и энергии диффузной компоненте. Следует отметить, что, начиная с пионерской работы [12], к настоящему времени выполнено большое количество работ, посвященных этой проблеме. Наиболее полный анализ в рамках двумерной газодинамики был приведен в работе [8], где были детально описаны как динамические процессы, сопутствующие взаимодействию ударных волн с облаком, так и масштабные преобразования, соответствующие задаче с различными начальными числами Маха и контрастами плотности между облаком и межоблачной средой. Хотя очевидно, что трехмерная динамика взаимодействия ударной волны с облаком существенно богаче, нежели двумерная, тем не менее следует подчеркнуть, что выводы, сделанные на основе двумерного моделирования, остаются в силе и при трехмерных расчетах [13]. Вместе с тем невыясненными остаются вопросы о доле энергии падающей ударной волны, передаваемой хаотическим движениям фрагментов облака, о влиянии нерегулярности структуры облака на динамику разрушения — вопросы, которые имеют принципиальное значение как для динамики ударных волн, проходящих по облачной среде, так и для динамики самих облаков, и в частности, возможности стимулирования звездообразования ударными волнами. В настоящей работе мы рассматриваем динамику разрушения облака ударной волной с точки зрения возбуждения в нем хаотических движений и эффективности превращения части энергии ударной волны в кинетическую энергию фрагментов облака. Особое внимание мы уделяем влиянию нерегулярности структуры поверхности облака на динамику разрушения. Реальные межзвездные облака обладают геометрией, далекой от правильной сферической формы, используемой во всех численных расчетах. Кроме того, межзвездные облака обладают, как правило, крайне негомогенным распределением плотности, что всегда остается за пределами численных исследований.

Вопрос о влиянии нерегулярности формы поверхности облака на динамику разрушения далеко нетривиален. Облако нерегулярной формы имеет большую поверхность и поэтому разрушающее действие ударной волны, связанное с развитием на поверхности неустойчивостей Релея—Тейлора и Кельвина—Гельмгольца, усиливается. С другой стороны, пропорционально должна увеличиваться и сила обжатия облака внешним давлением газа за фронтом ударной волны, что должно служить стабилизирующим фактором. Окончательный резуль-

тат определяется конкуренцией этих двух процессов. Другим обстоятельством, важным при анализе разрушения облаков с нерегулярным распределением плотности является отсутствие единственного масштабного преобразования, описывающего зависимость процесса от контраста плотности и числа Маха, поскольку в случае негомогенного облака не существует единственного значения для этих параметров, и возможно говорить лишь об их средних значениях.

Изложение построено следующим образом: в следующем разделе приводится описание используемой в работе модели облака и падающей на него ударной волны, а также дается качественный анализ динамики разрушения; в разделе 3 приводятся результаты численной модели и описываются соответствующие статистические характеристики; выводы формулируются в разделе 4.

2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

Мы будем рассматривать динамику сферических и квазисферических облаков на цилиндрической сетке с координатой г, направленной вдоль направления распространения ударной волны. В невозмущенном состоянии (перед прохождением ударной волны) облака находились в динамическом равновесии с фоновым газом, т.е. давления в них и в межоблачной среде были равны друг другу: рс = pi. В нашей основной (стандартной) модели в невозмущенном состоянии температура межоблачной среды равнялась Т = 104 ^ плотность — щ = 0.1 см"3, для облака соответственно предполагалось Тс = 103 ^ пс = 1 см"3. Более низкое (примерно на порядок) значение плотности и высокое значение температуры в облаках по сравнению с реальными значениями были выбраны для того, чтобы избежать слишком больших градиентов и связанных с ними больших затрат вычислительного времени. Это позволяет тем не менее делать качественно правильные выводы. Мы рассматриваем два случая облаков: облака со сферической поверхностью радиуса а0 = 2.5 пк, и квазисферические облака с нерегулярной поверхностью, средний (по поверхности) радиус которых равен тому же значению. Во втором случае нерегулярная поверхность задавалась как поверхность, составленная из секторов поверхностей торов меньшего, чем радиус облака, внутреннего радиуса, случайным образом расбросанных в пределах сферы радиуса а0 = 2.5 пк, при этом составная поверхность оставалась аксиально-симметричной. Отношение удельной (на единицу массы) тепловой энергии к энергии гравитационной для сферического облака равно ет= 5 х 104, поэтому мы пренебрегаем

здесь ролью гравитации. Для облака с нерегулярной границей величина ^¡^ отличается на множитель <1.3 от его значения для сферического облака. В расчетах мы пренебрегали эффектами теплопроводности и радиационными потерями, принимая уравнение состояния идеального газа с постоянной теплоемкостью как для межоблачного газа, так и для газа внутри облака, р = ^^{р1 с показателем адиабаты 7 = 5/3. Учет радиационных потерь будет выполнен в отдельной работе.

В такой постановке задача характеризуется в общем случае двумя временами [8, 14]: временем обтекания облака ударной волной

^ = ^, (1)

и временем прохождения ударной волны по облаку (отождествляемым с временем разрушения облака)

tcc -

1/2 Хо a0

облаков a0 ~ 2 — 3 пк, однако при прохождении ударной волны по горячему корональному газу с вкраплениями фрагментов теплой фазы нейтрального водорода размер последних может быть существенно больше. При этом в большинстве случаев переданный облаку импульс оказывается незначительным, так что облако как целое после прохождения ударной волны продолжает двигаться со средней (по всем фрагментам) скоростью, близкой к ее начальному значению. Это видно из прост

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком