Любимов В.Н., Доманская К.С., Еремин М.А.

МНОГОМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
СТОЛКНОВЕНИЙ ОБЛАКОВ HI
В МЕЖЗВЕЗДНОЙ СРЕДЕ
Волгоградский государственный университет
К. С. Доманская, М. А. Еремин, В. Н. Любимов
Ростов-на-Дону 2009
Межзвездная среда
Темное облако B72 (Змея)
Постановка задачи:
Детальное численное двух- и трех- мерное моделирование
неупругих столкновений облаков НI в МЗС с учетом тепловых
процессов:
1
нагрева и охлаждения;
2
теплопроводности.
Stone M. E., ApJ, 1970;...
Miniati F., Jones T. W., Ferrara A., Ryu D., ApJ, 1997.
Механизмы нагрева и охлаждения газа
Процессы нагрева:
УФ излучение звезд
Радиация и космические
лучи
Жесткое ЭМ излучение
Процессы охлаждения:
Тормозное излучение
Рекомбинационное
излучение
Двухфотонное излучение
Обратное комптоновское
рассеяние
Излучение в
спектральных линиях
Ионизация электронным
ударом
Уравнения газовой динамики
с учетом тепловых процессов
∂ρ
+ ∇(ρu) = 0,
∂t
∂
(ρu) + ∇(ρu ⊗ u) = −∇p,
∂t
2
2
∂
u
u
+ ε + ∇ ρu
+χ
= ∇[k(T )∇T ] − L(p, n)
ρ
∂t
2
2
k(T ) – коэффициент теплопроводности,
L(p, n) = Λ(T )n2 − Γ(T )n – функция тепловых потерь,
Λ(T ) – функция объемного охлаждения,
Γ(T ) – функция объемного нагрева,
ε=
p
− удельная энергия , γ = 5/3
(γ − 1)ρ
Функции нагрева и охлаждения
Функция охлаждения отвечает стандартному химическому составу.
Функция нагрева принята постоянной — Γ = 1, 6 · 10−25 эрг/c.
Многофазность межзвездной среды
Трехкомпонентная модель (McKee C. F., Ostriker J. P., 1977):
облака HI - «холодная» фаза (T . 70 К, n ∼ 102 см−3 )
межоблачный газ - «теплая» фаза (T ∼ 104 К, n ∼ 10−1 см−3 )
корональный газ – «горячая» фаза (T ∼ 106 К, n ∼ 10−3 см−3 )
Кривая равновесия L(p, n) = 0
Численный метод решения
Аппроксимация по пространству: численная нелинейная
схема типа MUSCL, удовлетворяющая TVD свойству 3-го
порядка точности;
Аппроксимация по времени: метод предиктор-корректор
2-го порядка точности (метод Рунге-Кутта);
Вычисление потоков через границы ячеек: метод
Хартена-Лакса-ван Лиира с учетом контактного разрыва
(метод HLLC);
Метод подшагов для учета радиативных потерь;
В 2D расчетах разрешение не хуже 100 ячеек на радиус
облака Rc (2000 × 2000), максимальное разрешение в 3D
расчетах 800 × 800 × 800.
Основные параметры
Характерное время охлаждения: τrad = ε/L
Характерное время столкновения: τcoll = Rc /uc .
Параметр охлаждения:
τrad
η=
.
τcoll
Характер столкновения:
η 1 – адиабатическое столкновение
η ∼ 1 – радиативное столкновение
η 1 – изотермическое столкновение
Параметры среды Ti = 104 K и ni = 0, 1cm−3 ,
Параметры облаков Tc = 80 K и nc = 10cm−3 .
Характерный масштаб времени: t0 = 105 лет.
Характерный пространственный масштаб: L0 = 1 пк.
Модель 1: Rc = 1 пк, M = 1, 5 , η = 0, 23
Начальное распределение
Фаза сжатия
Модель 1: Rc = 1 пк, M = 1, 5 , η = 0, 23
Фаза перерасширения
Фаза разрушения
Модель 1: Rc = 1 пк, M = 1, 5 , η = 0, 23
изменение массы холодной фазы
Модель 2: Rc1 = 1 пк,Rc2 = 0.5 пк, M = 1, 5
несимметричное столкновение, начальное распределение
Модель 2: Rc = 1 пк, M = 1, 5 , η = 0, 23
изменение массы холодной фазы
Выводы
Для адекватного моделирования столкновений облаков
необходимо использовать высокое разрешение (не менее
100 ячеек на радиус облака).
При лобовом симметричном столкновении облака
разрушаются, образуя феломентные структуры –
формирование нового облака маловероятно.
В неадиабатическом случае после разрушения облаков
сохраняется разделение среды на теплую и холодную
фазы.
Учет теплопроводности приводит к подавлению
неустойчивостей Рэлея-Тейлора и Кельвина - Гельмгольца.