1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Астрономический вестник
  4. T. 57, № 3, 2023

Астрономический вестник, 2023, T. 57, № 3, стр. 262-274

Джинсовская неустойчивость астрофизической самогравитирующей среды при наличии высокого радиационного давления и диффузионного переноса излучения

А. В. Колесниченко *

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Москва, Россия

* E-mail: kolesn@keldysh.ru

Поступила в редакцию 26.06.2022
После доработки 15.11.2022
Принята к публикации 28.12.2022

Аннотация

В рамках проблемы моделирования эволюции протозвездного диска обсуждается влияние излучения на джинсовскую гравитационную неустойчивость для самогравитирующей оптически толстой (для собственного инфракрасного излучения) газопылевой среды, с учетом влияния на критическую длину волны возмущения радиационного давления и диффузионного лучистого переноса. Рассмотрены два приближения радиационной диффузии: случай идеального теплового равновесия, когда температуры вещества и излучения одинаковы; случай зависимости поля излучения от времени, когда имеет место энергетическое разделение между излучением и веществом. При использовании анализа нормального режима мод выведены дисперсионные соотношения, позволяющие получить модификации классического критерия неустойчивости Джинса под влиянием радиационного давления и диффузии излучения. В частности, показано, что в отличие от локального термодинамического равновесия системы, когда акустическая скорость возмущенного газа распространяется с изотермической скоростью звука, в случае различия температур излучения и газа возмущающая волна распространяется с адиабатической скоростью звука в газе. Полученные результаты направлены на решение проблемы гравитационной неустойчивости отдельных массивных протозвездных дисков или самогравитирующих радиационных сред, характеризующихся большими оптическими глубинами для собственного инфракрасного излучения, трансформированного пылью.

Ключевые слова: критерий неустойчивости Джинса, радиационное давление, чернотельное излучение, диффузионный перенос излучения

Список литературы

  1. Бисикало Д.В., Жилкин А.Г., Боярчук А.А. Газодинамика тесных двойных звезд. М.: Физматлит, 2013. 632 с.

  2. Бисикало Д.В., Шематович В.И., Кайгородов П.В., Жилкин А.Г. Газовые оболочки экзопланет – горячих юпитеров // Успехи физ. наук. 2021. Т. 191. № 8. С. 785–845.

  3. Колесниченко А.В. Вывод в рамках неэкстенсивной кинетики критерия гравитационной неустойчивости Джинса для допланетного вращающегося облака с учетом радиации и магнитного поля // Mathematica Montisnigri. 2020. V. XLVII. P. 176–200.

  4. Колесниченко А.В. Роль черного излучения в модификации критериев неустойчивости Джинса для экзопланетного пылевого плазменного диска при учете магнитной вязкости и лучевого теплообмена // Препр. ИПМ им. М.В. Келдыша. 2022. № 3. 40 с.

  5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая механика. М.: Наука, 1976. 588 с.

  6. Маров М.Я., Шевченко И.И. Экзопланеты. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2017. 140 с.

  7. Тассуль Ж.-Л. Теория вращающихся звезд. М.: Мир, 1982. 472 с.

  8. Франк-Каменецкий Д.А. Физические процессы внутри звезд. М.: Физматгиз, 1959. с. 543.

  9. Фридман А.М., Хоперсков А.В. Физика галактических дисков. М.: Физматлит, 2011. 640 с.

  10. Хоперсков А.В., Храпов С.С. Неустойчивость тепловой, вязкой и акустических мод в тонких аккреционных дисках // Астрон. журн. 1999. Т. 76. № 4. С. 256–269.

  11. Agol E., Krolik J. Photon damping of waves in accretion disks // Astrophys. J. 1998. V. 507. № 1. P. 304–315.

  12. Aggrawal M., Talwar S.P. Magnetothermal instability in a rotating gravitating fluid // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1969. V. 146. P. 235–242.

  13. Argal S., Tiwari A., Sharma P.K. Jeans instability of a rotating self-gravitating viscoelastic fluid // Europhys. Lett. 2014. V. 108. id. 35003.

  14. Bhatia P.K. Gravitational instability of a rotating anisotropic plasma // Physics of Fluids. 1967. V. 10. № 8. P. 1652–1653.

  15. Blaes O., Socrates A. Local dynamical instabilities in magnetized, radiation pressure supported accretion disks // Astrophys. J. 2001. V. 553. № 2. P. 987–998.

  16. Blaes O., Socrates A. Local radiative hydrodynamic and magnetohydrodynamic instabilities in optically thick media // Astrophys. J. 2003. V. 596. № 1. P. 509–537.

  17. Bora M.P., Nayyar N.K. Gravitational instability of a heat-conducting plasma // Astrophys. and Space Sci. 1991. V. 179. P. 313–320.

  18. Borah A.C., Sen A.K. Gravitational instability of partially ionized molecular clouds // J. Plasma Physics. 2007. V. 73. № 6. P. 831–838.

  19. Buchler J.R. Radiation hydrodynamics in the fluid frame // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1979. V. 22. P. 293–300.

  20. Chandrasekhar S. Hydrodynamics and Hydromagnetic Stability. Oxford: Clarendon Press, 1961. 588 p.

  21. Chang P., Quataert E., Murray N. From thin to thick: The impact of X-ray irradiation on accretion disks in active galactic nuclei // Astrophys. J. 2007. V. 662. № 1. P. 94–101.

  22. Chhajlani R.K., Vaghela D.S. Gravitational stability of finitely conducting two-component plasma through porous medium // Astrophys. and Space Sci. 1987. V. 139. P. 337–352.

  23. Cox J.P. Theory of Stellar Pulsation. Princeton, New Jersey: Princeton Univ. Press, 1979. 378.

  24. Cox J.P., Giuli R.T. Principles of Stellar Structure. New York: Gordon and Dreach, 1968. 568 p.

  25. Dhiman J.S., Dadwal R. The gravitational instability of a non-uniformly rotating heat conducting medium in the presence of non-uniform magnetic field // Astrophys. and Space Sci. 2011. V. 332. № 2. P. 373–378.

  26. Dhiman J.S., Dadwal R. On the Jeans criterion of a stratified heat conducting gaseous medium in the presence of non-uniform rotation and magnetic field // J. Astrophys. and Astron. 2012. V. 33. P. 363–373.

  27. Dodelson S. Modern Cosmology. Amsterdam (Netherlands): Acad. Press, 2003. 440 p.

  28. Fridman A.M., Polyachenko V.L. Physics of Gravitating System. N.Y.: Springer-Verlag. 1984. V. 1. 468 p.; V. 2. 358 p.

  29. Jacobs G., Shukla P.K. Stability of molecular clouds in partially ionized self-gravitating space plasmas // J. Plasma Physics. 2005. V. 71. № 4. P. 487–493.

  30. Jeans J.H. The stability of spherical nebulae // Philosoph. Transact. Roy. Soc. 1902. V. 199. P. 1–53.

  31. Joshi H., Pensia R.K. Effect of rotation on Jeans instability of magnetized radiative quantum plasma // Physics of Plasmas. 2017. V. 24. № 3. id. 032113.

  32. Hsieh S.-H., Spiegel E.A. The equations of photohydrodynamis // Astrophys. J. 1976. V. 207. P. 244–252.

  33. Hu W., Sugiyama N. Small-scale cosmological perturbations: An analytic approach // Astrophys. J. 1996. V. 471. P. 542–570.

  34. Kaneko N., Tamazawa S., Ono Y. Linear waves in a radiating and scattering grey medium // Astrophys. and Space Sci. 1976. V. 42. № 2. P. 441–461.

  35. Kaneko N., Morita K., Satoh T., Hayasaki K. Small-amplitude disturbances in a radiating and scattering grey medium II. Solutions of given real wave number k // Astrophys. and Space Sci. 2005. V. 299. P. 263–306.

  36. Kaneko N., Morita K. Small-amplitude disturbances in a radiating and scattering grey medium III. Gravitational effects on the solutions of given real wave number k // Astrophys. and Space Sci. 2006. V. 305. P. 349–376.

  37. Kaothekar S., Chhajlani R.K. Effect of radiative heat-loss function and finite Larmor radius corrections on Jeans instability of viscous thermally conducting self-gravitating astrophysical plasma // ISRN Astron. and Astrophys. 2012. V. 2012. id. 420938 (14 p.).

  38. Kolesnichenko A.V. Jeans instability of a protoplanetary gas cloud with radiation in nonextensive Tsallis kinetics // Sol. Syst. Res. 2020. V. 54. №. 2. P. 137–149.

  39. Kolesnichenko A.V. Jeans instability of a protoplanetary circular disk taking into account the magnetic field and radiation in nonextensive Tsallis kinetics // Sol. Syst. Res. 2021. V. 55. № 2. P. 132–149.

  40. Kumar A., Sutar D.L., Pensia R.K., Sharma S. Effect of fine dust particles and finite electron inertia of rotating magnetized plasma // AIP Conf. Proc. 2018. V. 1953. № 1. id. 060036 (4 p.).

  41. Kumar A., Sutar D.L., Pensia RK. Jeans instability of a monatomic gas in the presence of thermal radiation // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 836. id. 012012 (3p.).

  42. Mihalas D., Mihalas B.W. On the propagation of acoustic waves in a radiative fluid // Astrophys. J. 1984. V. 283. P. 469.

  43. Pensia R.K., Sutar D.L., Sharma S. Analysis of Jeans instability of optically thick quantum plasma under the effect of modified Ohms law // AIP Conf. Proc. 2018. V. 1953. № 1. id. 060044 (4 p.).

  44. Pier E.A., Krolik J.H. Radiation-pressure-supported obscuring tori around active galactic nuclei // Astrophys. J. 1992. V. 399. № 1. P. L23–L26.

  45. Peebles P.J.E., Yu J.T. Primeval adiabatic perturbation in an expanding universe // Astrophys. J. 1970. V. 162. P. 815–836.

  46. Prajapati R.P., Chhajlani R.K. Gravitational Instability of Dusty Plasma with Radiative Process // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1397. P. 267–268.

  47. Prajapati R.P., Sharma P.K., Sanghvi R.K., Chhajlani R.K. Jeans instability of self-gravitating magnetized strongly coupled plasma // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. 365. id. 012040 (4 p.).

  48. Prajapati R.P., Bhakta S. Influence of dust charge fluctuation and polarization force on radiative condensation instability of magnetized gravitating dusty plasma // Phys. Lett. A. 2015. V. 379. № 42. P. 2723–2729.

  49. Silk J. Fluctuations in the primordial fireball // Nature. 1967. V. 215. № 5106. P. 1155–1156.

  50. Silk J. Cosmic black-body radiation and galaxy formation // Astrophys. J. 1968. V. 151. P. 459–471.

  51. Shaikh S., Khan A., Bhatia P.K. Jeans’ gravitational instability of a thermally conducting plasma. // Phys. Lett. A. 2008. V. 372. № 9. P. 1451–1457.

  52. Sharma R.C. Gravitational instability of a rotating plasma // Astrophys. and Space Sci. 1974. V. 29. P. L1–L4.

  53. Sharma R.C., Patidar A. Effect of ion radiative cooling on Jeans instability of partially ionized dusty plasma with dust charge fluctuation // Physics of Plasmas. 2017. V. 24. id. 013705 (13 p.).

  54. Sharma R.C., Singh B. Gravitational instability of a rotating and partially-ionized plasma in the presence of variable magnetic field // Astrophys. and Space Sci. 1988. V. 143. P. 233–239.

  55. Thompson T.A., Quataert E., Murray N. Radiation pressure-supported starburst disks and active galactic nucleus fueling // Astrophys. J. 2005. V. 630. № 1. P. 167–185.

  56. Tsintsadze N.L., Chaudhary R., Shah H.A., Murtaza G. Jeans instability in a magneto-radiative dusty plasma // J. Plasma Physics. 2008. V. 74. № 6. P. 847–853.

  57. Vaghela D.S., Shrivastava H.S.P. Magnetogravitational instability of a rotating homogeneous gas cloud with radiation // Czechoslovak J. Physics. 1994. V. 44. № 10. P. 905–911.

  58. Vranješ J. Gravitational instability of a quasi-homogeneous plasma cloud with radiation // Astrophys. and Space Sci. 1990. V. 173. № 2. P. 293–298.

  59. Vranješ J., Čadež V. Gravitational instability of a homogeneous gas cloud with radiation // Astrophys. and Space Sci. 1990. V. 164. № 2. P. 329–331.

  60. Weinberg S. Entropy generation and the survival of protogalaxies in an expanding universe // Astrophys. J. 1971. V. 168. P. 175–194.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Астрономический вестник

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал