Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование гидродинамических резонансных неустойчивостей в сверхзвуковых потоках газа начато сравнительно недавно и в последние два десятилетия находится в стадии бурного развития. В астрофизике это связано с тем, что, как оказалось, раскачка возмущений этими неустойчивостями до нелинейных амплитуд способна приводить к крупномасштабным волновым структурам, сходным с наблюдаемыми в струйных выбросах из молодых звезд и двойных звездных систем, в газовых галактических и в аккреционных дисках. Кроме того, данные неустойчивости являются мпогомодовыми, поддерживаемые ими высшие гармопики образуют иерархически!! ряд уменьшающихся пространственных масштабов и возрастающих частот, что способно приводить к эффективной турбу-лизации течения. Последнее может оказаться важным применительно к объяснению аномально высокой турбулентной вязкости вещества аккреционных дисков.
Несмотря на значительное количество появившихся в последнее время публикации по данному кругу вопросов, остается ряд нерешенных проблем, п реферируемая работа должна внести существенный вклад в их прояснение.
Цель работы. Основной целью реферируемой диссертации являлось изучение принципиальной возможности и характерных особенностей развития резонансных неустойчивостей в астрофизических струях, в аккреционных дисках и в газовых подсистемах дисков плоских галактик, а также всестороннее исследование их физических механизмов и параметров генерируемых ими волновых структур.
Научная новизна реферируемой работы состоит в том, что в ходе проведенных исследований были впервые получены следующие основные результаты:
показано, что за формирование наблюдаемой в джетах волновой структуры ответственны возмущения, испытавшие сверхотражение от границ струи не под главным резонансным углом (излучение Вавилова - Черенкова), а под одним из двух побочных резонансных углов, что снимает противоречие между наблюдаемой длиной волны и предсказываемой линейным анализом;
предложена методика определения областей устойчивости и неустойчивости по различным параметрам, характеризующим
сверхзвуковую несимметричную струю, основанная на анализе выражений для средней плотности энергии возмущений и для коэффициентов отражения от границ струи;
показано, что даже малое отклонение от симметрии струи по поперечной координате способно приводить к уменьшению характерного времени .развития неустойчивости типа акустического резонанса;
показано, что находящиеся в гравитационном поле струи не разрушаются из-оа развития неустойчивости основной иогибной моды, так как она стабилизируется поперечной к джету силой тяжести, в отличие от высших неустойчивых гармоник изгнбной и шгач-мод, формирующих наблюдаемую волновую структуру джс-тов;
получено ограничение на частоты неустойчивых мод, усиливаемых сверхотражением от сверхзвуковых границ х>аздела, и на этой основе предложена методика анализа физических механизмов неустойчивости в сверхзвуковых струях;
показана возможность раскачки неустойчивости типа акустического резонанса в режиме двухпотоковой дисковой аккреции и высказано предположение о возможности турбулизации вещества диска этой неустойчивостью;
показана возможность развития неустойчивости, имеющей характер магнитоакустического резонанса, в аккреционном диске, обжимаемом магнитным полем;
предложено объяснение квазипериодических осцилляции светимости наличием крупномасштабной спиральной волны плотности во внутренней области аккреционного диска;
предложено объяснение сложных спиральных узоров в дисках плоских галактик суперпозицией различных гидродинамических и/или гравитационных неустойчивых мод в одной и той же области диска;
показана возможность развития центробежно-резонанснои неустойчивой моды в газовых дисках с двугорбой кривой вращения и вскрыт физический механизм ее раскачки.
Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные в диссертацип результаты могут представлять интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применений для широкого круга специали-
стов, занимающихся проблемами астрономии, астрофизики и газодинамики в таких научных учреждениях как Институт астрономии РАН, Астрономический институт СПбГУ, Институт космических исследований РАН, Государственный астрономический институт им. Штернберга, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Московский, Санкт-Петербургский, Ростовский госунивсрептеты и т.д. Отдельные параграфы диссертации дюгут быть включены в учебные курсы по теории гидродинамической устойчивости.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
-
На основе детального численного и аналитического исследования дисперсионного уравнения для возмущений в симметричной струе и анализа механизма неустойчивости устранено противоречие между результатами численного нелинейного моделирования дже-тов и линейного анализа устойчивости, предсказывающего более коротковолновый узор, чем имеющий место в компьютерном моделировании и в реальных джетах.
-
Проведено подробное численное и аналитическое исследование дисперсионных свойств неустойчивых возмущений' в несимметричных по поперечной координате сверхзвуковых струях и сделан вывод о том, что даже незначительное отклонение от симметрии существенно влияет на устойчивость и, в частности, приводит к увеличению числа неустойчивых мод в струе и значительному возрастанию инкрементов некоторых из них.
-
Предложена эффективная методика предварительного анализа устойчивости несимметричных сверхзвуковых струй для выявления областей устойчивости и неустойчивости по различным параметрам, характеризующим струю.
-
Исследовано влияние поперечного гравитационного поля па устойчивость джета и показано его стабилизирующее воздействие на моду, изгибающую и на нелинейной стадии разрушающую струю, чем снимается противоречие между данными наблюдений и результатами численного моделирования струй.
-
На основе анализа выражения для средней плотности энергии получено ограничение на действительную и мнимую части частот неустойчивых возмущений, поддерживаемых эффектом сверхотражения, сформулированное в виде теоремы о полукруге, и на примере джета показано, что данная георема весьма эффективна
.при интерпретации механизма усиления возмущений. С. Исследована устойчивость двухпотоковой дисковой аккреции и показана возможность развития в таком режиме неустойчивости типа акустического резонанса, - способной эффективно турбули-зовать вещество диска.
-
Проведено детальное исследование устойчивости модели аккреционного диска, обжимаемого магнитным полем центрального компактного объекта, и показана возможность развития в такой модели нового типа неустойчивости, имеющей характер магнитоаку-стического резонанса.
-
Предложено объяснение квазипериодических осцилляции рентгеновской светимости источников на частоте 2 — 50 Гц существованием крупномасштабной спиральной волны плотности во внутренних областях аккреционных дисков, отличающееся от предлагавшихся ранее.
-
Показана возможность существования в газовых дисках с двугорбыми кривыми вращения наряду с известной модой центробежной неустойчивости новой неустойчивой моды — центробежно-резонансной, — и предлагается сценарий, согласно которому ветвящиеся рукава и другие сложные узоры спиральных галактик могут обуславливаться суперпозицией этих двух мод.
Достоверность результатов и выводов диссертации определяется тщательной обоспованностью используемых моделей и применением при решении поставленных задач строгих математических методов, проверкой полученных в работе приближенных аналитических асимптотических решений на совпадение с точными численными решениями в широких диапазонах значений: параметров, а также совпадением в частных и предельных случаях подученных результатов с известными ранее.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 19 научных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных научных конференциях "Классическая гравифизика" (Волгоград, сентябрь 1989 г.), "Астрофизика сегодня" (Нижний Новгород, март 1991 г.), в рамках научной программы П-го съезда Астрономического общества СССР (Москва, ноябрь 1991 г.), на Всесоюзном
научном семинаре "Астрофизика - IV" рабочей группы "Физика галактик" (Цейское ущелье, сентябрь 1990 г.), Всероссийском научном семинаре рабочей группы МЗС "Явления самоорганизации в галактиках" (Пулково, ГАО, сентябрь 1992 г.), международных научных конференциях "Physics of Gaseous and Stellar Disks of Galaxy" (Нижний Архыо, CAO, сентябрь 1993 г.) и "Structure and Evolution of Stellar Systems" (г. Петрозаводск, август 1995 г.), на Всесоюзных студенческих научных конференциях "Физика Космоса" XX, XXII, XXIII, XIV н XXV (Свердловская обл., Коуровская АО, февраль 1991, 1993, 1994,1995 и 1996 гг.), ВНКСФ-1 и ВНКСФ-2 (г. Заречный, Свердловская обл., апрель 1993 и 1994 гг.), научных семинарах кафедры теоретической астрофизики Астрономического института СПбГУ (Санкт-Петербург, сентябрь 1992 г.), кафедры астрономии и геодезии Уральского госуниверситета (Екатеринбург, апрель 1993 г.), Специальной астрофизической обсерватории РАН (Нижний Архыз, октябрь 1996 г.) и кафедры теоретической физики Волгоградского госуниверситета в 1985 - 1996 гг.
Личный вклад автора. В совместных публикациях по теме диссертационной работы вклад автора заключается в непосредствеппом участии в постановке задач, в получении всех аналитических асимптотических решений, в участии в проведении расчетов, в интерпретации полученных результатов и в написании статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 178 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков и список литературы (140 наименований).