Известия науки, 3 марта 2010.
Механизм возникновения удивительных
колец возле сверхновой SN 1987А
Федосин С. Г.
г. Пермь, Пермский край, Россия
e-mail intelli@list.ru
Причиной формирования устойчивых колец возле сверхновой SN 1987А предполагается магнитное поле, задающее траектории движения заряженных ионов вещества, выброшенного ранее из оболочки звезды
Кольца сверхновой SN 1987А
В августе 1990 г. космический телескоп Hubble сфотографировал внутреннее кольцо, а в 1994 г. – два внешних кольца вокруг сверхновой SN 1987А. По форме эти три кольца напоминают песочные часы, в центре которых находится остаток сверхновой (смотри изображение).
Внутреннее кольцо имело радиус 
м и скорость расширения порядка 10 км/с, в центре его находилось
расширяющееся и сильно излучающее радиоактивное облако от сверхновой (в
основном от бета-распада никеля 56Ni, половина которого превращается в течение
недели в кобальт 56Co и далее следует более замедленное превращение кобальта в
железо 56Fe). Плоскости двух внешних колец параллельны внутреннему кольцу,
размеры этих колец больше внутреннего, и они расположены по разные стороны от
внутреннего кольца на одной оси. Вещество колец могло быть выброшено из
звёздных оболочек в результате процессов, происходящих обычно в предсверхновых при выгорании термоядерного топлива, либо
при медленном сближении двух тесно связанных звёзд. Ультрафиолетовое и
рентгеновское излучение от сверхновой высветило кольца как сгущения медленно
двигающегося вещества, находящегося достаточно далеко от самой сверхновой [1].
В работе [2] феномен колец возле SN 1987А объясняется на основе газовой гидродинамики за счёт осесимметричного выброса газа при слиянии двух звёзд с массами 15 и 5 масс Солнца, произошедшего за 20000 лет до сверхновой.
Существует другая модель возникновения колец [3], основанная
на следующих предположениях. На месте сверхновой раньше был голубой сверхгигант
Sanduleak -69° 202a с массой 
порядка 17 масс
Солнца. Он терял свою массу за счёт звёздного ветра, кроме этого вокруг звезды
могло иметься разрежённое и ионизированное излучением газовое вещество от общей
оболочки при возможном слиянии звёзд
двойной системы. Часть выброшенного вещества должна была вращаться
вокруг звезды в том же направлении, что и оболочка самой звезды, в силу
сохранения момента импульса. Предположим теперь, что звезда имела магнитный
момент 
и магнитное поле с
индукцией B вокруг себя согласно
дипольной формуле:
, (1)
где 
– магнитная
постоянная,
– радиус-вектор от
центра звезды до точки, где определяется поле.
Полагая, что радиус звезды равен приблизительно 6,8 радиусов
Солнца как у звёзд главной последовательности соответствующей массы, а на
полюсе звезды индукция магнитного поля не превышает 0,015 Тл согласно данным
измерений типичных полей массивных звёзд в [4], из (1) можно оценить возможный
магнитный момент: 
Дж/Тл.
На заряженные положительно ионы газового вещества вокруг звезды действуют сила гравитационного притяжения, магнитная сила Лоренца и центростремительная сила, а электрическая сила у электрически нейтральной звезды отсутствует. Непосредственным расчётом можно убедиться, что гравитационная сила притяжения ионов к звезде очень мала и ею можно пренебречь по сравнению с магнитной силой. Если магнитный момент звезды направлен вдоль оси OZ, на которой находятся три наблюдаемых кольца возле SN 1987А, то для образования колец ионы должны двигаться перпендикулярно магнитному полю. В этом случае возникающая сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы, необходимой для движения ионов по окружностям. Уравнение движения ионов в плоскостях колец можно записать следующим образом:
, (2)
где 
и q – масса и заряд иона,
– вектор центростремительного
ускорения,
– вектор угловой
скорости вращения ионов,
– вектор скорости движения ионов в кольцах, являющийся частью
вектора полной скорости (ионы не только вращаются в кольцах, но и могут вместе
с кольцами удаляться от звезды, что добавляет к другие
компоненты скорости).
В приближении равномерного вращения ионов и неподвижных в пространстве колец для векторов и их проекций вдоль осей координат можно в декартовых и сферических координатах записать:
, 
,
, 
.
Подставляя эти вектора в (2) с учётом (1), в котором можно
записать 
,
для движения ионов в плоскостях колец получим соотношение:
. (3)
Внутреннее кольцо расположено в плоскости XOY и для него в
(3) z = 0. Следует считать, что
скорость 
вращения ионов в
кольце не превышает скорости расширения колец, равной приблизительно 10 км/с. Находя отсюда угловую скорость 
при радиусе
внутреннего кольца 
м и подставляя в (3), вычисляем верхнее
значение магнитного момента звезды для движения в кольце ионов в виде протонов:
Дж/Тл.
Это значение лишь в пять раз больше типичного магнитного момента, ожидаемого
нами для звезды как голубого гиганта. На самом деле вещество во внутреннем
кольце может вращаться с меньшей скоростью, чем скорость расширения кольца,
уменьшая тем самым верхнюю оценку 
. Кроме этого, мы полагали радиус голубого гиганта равным 6,8
радиусов Солнца как для звезды главной последовательности. Но вблизи предсверхновой радиус звезды мог стать больше вследствие
эволюции вещества, что при том же магнитном поле
увеличит магнитный момент. Таким образом магнитный
момент звезды вполне мог иметь подходящую величину для образования колец как
раз в тех местах, где мы их наблюдаем.
Для внешних колец величина
z обозначает расстояние от плоскостей колец до
центра системы, где находилась сверхновая. Из наблюдений следует, что 
м. Если обозначить радиус
внешних колец через 
,
то для них в (3) 
, при этом можно положить, что 
. Тогда в (3) 
.
Это означает, что угловая скорость вращения вещества во внешних
кольцах имеет то же направление, что и во внутреннем кольце, совпадая с
направлением оси OZ и с направлением магнитного момента 
. Угловая скорость вращения вещества во внутреннем кольце
превышает почти на порядок угловую скорость во внешних кольцах.
Поскольку внутреннее кольцо расширяется, то под действием магнитного поля звезды на его вещество должны действовать силы, увеличивающие момент импульса кольца по мере расширения. Сила Лоренца действует так, что вещество снаружи кольца отходит от кольца, а вещество между центром системы и кольцом имеет возможность присоединяться к кольцу. Это и приводит к повышенной плотности вещества во внутреннем кольце, где осуществляется равновесие между центростремительной и магнитной силами. Для внешних колец ситуация похожая, но в них на вещество колец действует ещё дополнительная магнитная сила, тормозящая разлёт колец вдоль оси OZ. Устойчивые во времени кольцевые структуры возле SN 1987А не являются уникальными, они повторяются во многих других сверхновых, с аналогичным отношением радиусов колец [5], [6], что указывает на всеобщность порождающего их механизма.
Ссылки
1. Richard
McCray. Stars and galaxies.
2. Thomas Morris, Philipp Podsiadlowski. The Triple-Ring Nebula around SN 1987A: Fingerprint of a Binary Merger. 13 Mar 2007.
3. Комментарии к книге:
Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная
вложенность материи. Пермь,
2009, 842 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
4. Landstreet J.D. A search for magnetic
fields in normal upper-main-sequence stars. ApJ,
1982, Vol. 258, P. 639–650.
5. Kei Kotake, Katsuhiko Sato, and Keitaro Takahashi. Explosion Mechanism, Neutrino Burst,
and Gravitational Wave in Core-Collapse Supernovae. Rept. Prog.
Phys. 69:971-1144, 2006.
6. Höflich P. et al. 2004. Asymmetric
supernova explosions. Stellar Collapse (
Источник:
http://sergf.ru/me.htm