• Nie Znaleziono Wyników

→ nootherimportantproperties → time-independent → Newtoniangravity → barotropicEOS p = p ( ρ ) Simpleself-gravitatingbodies: R OTATING P OLYTROPES

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "→ nootherimportantproperties → time-independent → Newtoniangravity → barotropicEOS p = p ( ρ ) Simpleself-gravitatingbodies: R OTATING P OLYTROPES"

Copied!
20
0
0

Pełen tekst

(1)

R OTATING P OLYTROPES

Simple self-gravitating bodies:

→ barotropic EOS p = p(ρ)

→ Newtonian gravity

→ time-independent

→ no other important properties

(2)

S IMPLE BUT NOT TRIVIAL :

1. Polytropic stars:

p = Kρ γ

2. Cold white dwarfs – degenerate electron gas EOS

3. Isothermal interstellar gas clouds:

2

(3)

E ULER AND CONTINUITY EQUATIONS

∂v

∂t + (v ∇)v = − 1

ρ ∇p − ∇Φ g

∂ρ

∂t + div(ρv) = 0

(4)

P URE R OTATION

We assume motion in our star in a form of simple

rotation:

v = r Ω(r, z)e φ

in cylindrical coords:

(5)

S ELF - GRAVITATING , ROTATING GAS IN FULL

MECHANICAL EQUILIBRIUM

r Ω(r, z) 2 e r = 1

ρ ∇p + ∇Φ g

∂ρ

∂t + Ω(r, z) ∂ρ

∂t = 0

(6)

C ONTINUITY E QUATION – S OLUTION

ρ(r, z, φ; t) = F (r, z, φ − Ω t)

F – arbitrary function

∂ρ = 0 ↔ axial symmetry

(7)

I NTEGRABILITY C ONDITION

∇ × 

r Ω(r, z) 2 e r



= ∇ ×  1

ρ ∇p + ∇Φ g



2 r Ω ∂Ω

∂z e φ = ∇  1

ρ



× ∇p

But p = p(ρ): ∇ 

1

ρ

 × ∇p = − ρ 1 2

∂p

∂ρ ∇p × ∇p ≡ 0 so:

∂ Ω(r, z)

∂z = 0 ↔ Ω = Ω(r)

(8)

C ENTRIFUGAL P OTENTIAL

Φ c (r) = −

r

Z

0

Ω(˜ r) 2 r d˜ ˜ r

∇Φ c (r) = −r Ω(r) 2 e r

(9)

E NTHALPY

h(ρ) =

Z 1

ρ dp

∇h(ρ) = 1

ρ ∇p

Integration constant is defined to be such that:

h(ρ = 0) = 0

(10)

Euler equation becomes sum of gradients:

∇ h(ρ) + Φ c + Φ g  = 0

with solution:

h(ρ) + Φ c + Φ g = C = const

(11)

“R OTATING STAR ” E QUATION

h(ρ) + Φ c + Φ g = C = const

∆Φ g = 4πG ρ

Φ g (r) =

Z ρ(r 0 )

|r − r 0 | d 3 r 0

(12)

C ANONICAL FORM OF INTEGRAL EQUATION

Hammerstein, A. 1930 Acta Mathematica, 54, 117-176

h(ρ) + R(ρ) + Φ c = C

f = R [F (f)]

(13)

S OLUTION M ETHOD

f 1 = R[F (f 0 )],

f 2 = R[F (f 1 )],

· · ·

f n = R[F (f n −1 )]

· · ·

Iteration succesfully applied numerically:

Self-consistent field method (Ostriker, J.P., Mark, J.W.-K. 1968 ApJ, 151, 1075)

HSCF (Hachisu, I. 1986 ApJS, 61, 479)

(14)

Z ERO - ORDER APROXIMATION

C − Φ c − h(ρ 1 ) = R(ρ 0 )

Using non-rotating ρ 0 :

h(ρ 0 ) + R(ρ 0 ) = C 0

We can eliminate integral operator R:

(15)

F IRST - ORDER APROXIMATION

h(ρ 1 ) = h(ρ 0 ) − Φ c + C − C 0

or simpler, using enthalpy h(ρ 0 ) ≡ h 0 , h(ρ 1 ) ≡ h 1 :

h 1 = h 0 − Φ c + C − C 0

(16)

h 1 = h 0 − Φ c + ∆C

C (3)

C (2)

C (1)

C (0)

 

h 0

 

h 0 −Φ c

−Φ c

h(r, z=0)

(17)

V ALUE OF ∆C

By substitution of our formula into basic equation we

get:

∆C = Φ c (r)

This holds only if ∆C = 0, Φ c ≡ 0. Instead, we can use

mean value:

∆C = −b Φ c = −  4

3 πR 0 3

 −1 Z

V 0

Φ c d 3 r

(18)

V ALUE OF ∆C

We can avoid negative enthalpy with:

∆C = −Φ c (R 0 )

(19)

E XAMPLE : P OLYTROPIC EOS

Enthalpy is:

h(ρ) = Kγ

γ − 1 ρ γ −1

Zero-order – n-th Lane-Emden function w n :

ρ 0 = ρ c (w n ) n

Approximate formula:

ρ 1 =



ρ 1/n c w n − 1

nKγ (Φ c + ∆C)

 n

(20)

E XAMPLE :

ELEMENTARY FUNCTIONS

For n = 1, Ω(r) = Ω 0 /(1 + r 2 /A 2 ) and

∆C = Φ c (R 0 = π) we get:

ρ 1 (r, z) = sin √

r 2 + z 2

√ r 2 + z 2 + 1

2

2 0 A 2 r 2

1 + r 2

A 2

− 1

2

2 0 A 2 π 2

1 + π 2

A 2

Cytaty

Powiązane dokumenty

Thus for the very large samples (as in all ALICE cases) the measured distribution should be very close to that postulated. How ”close” is controlled by the size of the

praca z kejsami w ramach gry Wirtualny Doradca, laboratorium komputerowe z dostępem do Internetu, instrukcja do gry. C EL

Każda gałąź opisuje pewien możliwy przebieg doświadczenia. Sięgasz po klucze kolejno, niewłaściwe przekładając do drugiej kieszeni, aby wyciągnąć właściwy

— Po wyrzucenliu nieprzyjaciela z południowego krańca wsi, walka rozpoczęła się w samej wsi i prowadzo­ na była przeszło dwie godziny, poczerni nieprzyja­ ciel został

Zniszczenia z okresu II wojny światowej na ziemiach polskich były większe niż te z czasów I wojny światowej, przy czym ich dokładne policzenie nastręcza jeszcze

Niech f (n, k) oznacza ilość tych k-elementowych podzbiorów zbioru liczb naturalnych od 1 do n, które nie zawierają dwóch kolejnych liczb

Groundwater fauna consists of: stygobionts organisms reproducing exclusively in this habitat, stygophiles species completing their life cycle in both subterranean and surface

Jeśli uczyłam(łem) się solidnie do egzaminu, to zdałam(łem) egzamin w pierwszym