Введение к работе
Актуальность темы исследования. Предметом исследования представленной диссертации являются механизмы зажигания и распространения термоядерного горения в поверхностных слоях нейтронных звёзд при рентгеновских вспышках (барстах).
Рентгеновские вспышки I типа объясняются тепловой неустойчивостью термоядерной За-реакции горения гелия в слое, накапливаемом на поверхности аккрецирующей нейтронной звезды (баретера). Неустойчивость приводит к взрывному выгоранию слоя, наблюдаемому как рентгеновская вспышка. Она повторяется через некоторое время, требуемое для накопления вещества.
Измеренные рентгеновскими телескопами параметры хорошо согласуются с изложенным выше механизмом рентгеновских вспышек. Продолжительность вспышек согласуется с темпом термоядерной За-реакции. В одномерных численных расчётах хорошо воспроизводятся наблюдаемые времена роста барстов, продолжения и повторения, а также полная энергия.
Однако в одномерных расчётах предполагается сферическая симметрия нейтронной звезды и одновременное инициирование термоядерного взрыва по всей поверхности. В реальных баретерах такая симметрия не может быть обеспечена. Основным источником асимметрии является вращение нейтронной звезды (200—600 Гц). Также неодинаковым может быть локальный темп аккреции. Асимметрия подтверждается наблюдением килогерцовых квазипериодических осцилляции яркости на фронте некоторых вспышек.
Поэтому предполагается, что тепловая неустойчивость инициирует быстрое термоядерное горение в небольшом участке поверхностного слоя, которое затем менее чем за 1 — 10 с распространяется вдоль всей поверхности звезды. Скорость распространения волны горения должна превосходить ~ 107 см/с.
Простые оценки этой скорости опираются на аналитически вычисляемые параметры стационарных и плоских волн горения. Зная размер и массу звезды, темп аккреции и промежуток между вспышками, можно определить толщину накопившегося перед вспышкой слоя и плотность на его дне. Она составляет 106—107 г/см3. Для таких плотностей толщина детонации, в которой горение распространяется за счёт сжатия вещества ударной волной, оказывается слишком большой, что исключает возможность её развития. Скорость дефлаграции, в которой происходит кондуктивный или конвективный перенос энергии от горячих продуктов горения к несгоревшему веществу, равна 102— 105 см/с. Таким образом, механизм распространения термоядерного горения при вспышках барстеров остаётся невыясненным.
Степень разработанности темы. Для завышенной плотности на дне слоя гелия (108 г/см3) Фрикселлом и Вусли в 1982 г. был проведён двумерный расчёт зажигания и распространения горения. В 2001 г. этот расчёт был повторён на современном уровне с помощью кода FLASH.
Альтернативный сценарий распространения горения был предложен Спит-ковским, Левиным и Ушомирским (2002). Они учли вращение звезды и показали, что в этих условиях на её поверхности при вспышках будут образовываться долгоживущие вихри. Предположение, что они могут быть механизмом распространения горения, не было обосновано, потому что в их модели отсутствовал баланс энергии.
Левин с другими соавторами в 2012 г. провёл численное моделирование этого процесса. Перенос горячего вещества над слоем приводит к прогреву холодных участков, что оказывается механизмом распространения горения (аналог дефлаграции). Однако требуемый для этого быстрый прогрев верхних участков слоя представляется нереальным.
Цели и задачи. Целью исследования является поиск механизма распространения термоядерного горения в поверхностных слоях нейтронных звёзд при рентгеновских барстах согласующегося с данными наблюдений.
Для этого решаются следующие задачи:
-
Исследование зажигания и распространения горения в ограниченных областях на качественном уровне с помощью простых моделей.
-
Исследование зажигания и распространения термоядерного горения в слое на поверхности аккретирующей нейтронной звезды с использованием простых качественных моделей и прямого численного моделирования.
-
Исследование роли турбулентности для развития зажигания при термоядерных взрывах в поверхностном слое.
-
Оценка реализуемости разных режимов зажигания и распространения термоядерного горения при рентгеновских барстах, сравнение с данными наблюдений.
Научная новизна. К новым научным результатам, полученным в данной работе, относятся:
-
Простая модель зажигания и распространения горения в ограниченной области, позволяющая качественно исследовать их режимы и оценить временные и энергетические параметры.
-
Малозонная модель тонкого поверхностного слоя, учитывающая генерацию и перенос энергии, эволюцию состава за счёт реакций, приток вещества снаружи (аккрецию) и его перетекание между слоями.
-
Модель и оценка параметров волн распространения термоядерного горения в слое на поверхности нейтронной звезды.
-
Обоснование механизма распространения горения вследствие само-поджатия слоя веществом, поднимающимся при локальном зажигании и переносимом вдоль поверхности, оценка его параметров.
-
Применение полуэмпирической Ке модели турбулентности со стандартными значениями параметров для численного моделирования тер-
моядерных взрывов звёзд.
Теоретическая и практическая значимость. Ценность исследования заключается в согласовании теоретических моделей термоядерных взрывов нейтронных звёзд (барстов) с данными наблюдений. Для этого требуется устранить расхождение в оценках скоростей различных режимов распространения термоядерного горения, которые могут реализоваться в слое на поверхности нейтронной звезды, с наблюдаемым временем роста барстов.
Практическая значимость работы состоит в
-
Развитии моделей распространения горения.
-
Построении простой малозонной модели, позволяющей проводить исследования процессов зажигания и распространения горения в ограниченной области (шнуре или слое).
-
Тестировании численных методик и К є модели турбулентности с привлечением качественно новых процессов, для которых существуют многочисленные экспериментальные данные.
Методология и методы исследования. Теоретической основой исследования являются модели химической кинетики, рассматривающие различные режимы инициирования и распространения горения. Термоядерные вспышки являются примерами тепловых взрывов.
Для качественных исследований устойчивости гидростатического и теплового равновесия, оценок времени зажигания, режимов и скорости распространения горения в слоях на поверхности нейтронных звёзд удобно использовать простые модели, в которых вертикальные распределения газодинамических параметров заменены на несколько величин — средних значений по глубинам небольшого числа слоев.
Также исследования опираются на численные методики, созданные и развиваемые в РФЯЦ ВНИИТФ, применяемые для решения разных задач физики плазмы. Другой методологической основой являются данные наблюдений космических рентгеновских телескопов.
Положения, выносимые на защиту.
-
Получена простая и достаточно общая оценка условий и времени зажигания при взрывном горении в ограниченной области.
-
Получены простые оценки параметров распространения термоядерного горения в слое на поверхности нейтронной звезды в разных режимах.
-
Построена простая малозонная модель, учитывающая все основные процессы генерации и переноса энергии, потоков вещества вдоль слоя и между слоями (включая аккрецию извне), позволяющая на качественном уровне исследовать различные процессы при термоядерных взрывах в слое на поверхности нейтронной звезды.
4) Зажигание термоядерного горения в локальной области на поверхности нейтронной звезды вызывает подъём вещества этой области. Дальнейшее его растекание вдоль поверхности способствует синхронизации зажигания в различных областях нейтронной звезды вследствие их дополнительного поджатия.
Степень достоверности. Достоверность результатов исследования подтверждается сравнениями аналитических оценок, полученных в простых моделях, численного моделирования по качественно различным программам и экспериментальных данных, полученных рентгеновскими телескопами.
Апробация результатов и публикации. Результаты исследований, представленные в диссертации, были опубликованы в 5 статьях в журналах из списка ВАК, рекомендуемых для опубликования результатов диссертаций.
Результаты были представлены на следующих научных конференциях:
Международная конференция «VII Забабахинские научные чтения» (Снежинск, РФЯЦ ВНИИТФ, 2003 г.),
Международная конференция «Космология и астрофизика высоких энергий» (Москва, ИКИ, 2004 г.),
Международная конференция «VIII Забабахинские научные чтения» (Снежинск, РФЯЦ ВНИИТФ, 2005 г.).
Личный вклад соискателя состоит в выборе методологии исследования, создании качественных моделей изучаемых процессов, формулировке постановок задач, решаемых методами численного моделирования, и анализе их результатов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объём 191 страниц, она включает 69 рисунков. Список литературы включает 86 наименований.
