[论文解读] Stellar Evolution with Rotation and Magnetic Fields IV: The Solar Rotation Profile

P. Eggenberger, A. Maeder+1 more|ArXiv.org|Aug 22, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用 115

一句话总结

本文提出，由太阳辐射区内部磁场驱动的泰勒-斯普鲁特发电机机制，可解释太阳近乎刚体旋转的角速度分布。通过平衡促使差速旋转的经向环流与促使均匀旋转的磁耦合，该模型在0.2至0.7 R⊙范围内实现了接近恒定的角速度，与日震观测结果高度一致。

ABSTRACT

We examine the generation of a magnetic field in a solar-like star and its effects on the internal distribution of the angular velocity. We suggest that the evolution of a rotating star with magnetic fields leads to an equilibrium value of the differential rotation. This equilibrium is determined by the magnetic coupling, which favours a constant rotation profile, and meridional circulation which tends to build differential rotation. The global equilibrium stage is close to solid body rotation between about 0.7 and 0.2 R_sun, in good agreement with helioseismic measurements.

研究动机与目标

• 解释标准旋转模型所无法预测的太阳辐射区中观测到的近乎恒定的角速度分布。
• 研究由泰勒-斯普鲁特发电机产生的磁场是否能提供足够的内部耦合以实现刚体旋转。
• 评估磁场在角动量输运中的作用，与旋转和湍流扩散机制相比。
• 确定磁发电机机制在像太阳这样缓慢旋转的恒星中是否高效运行。
• 将模型预测与日震测量的太阳旋转分布进行比较。

提出的方法

• 基于泰勒-斯普鲁特不稳定性，构建一组一致的发电机方程，包含阿尔文频率和布伦特-瓦伊萨拉频率。
• 实施一个包含旋转效应和斯普鲁特发电机机制产生磁场的恒星演化代码。
• 使用磁场扩散系数ν来模拟角动量的垂直输运，从而抑制差速旋转。
• 应用临界稳定性的约束：l < r·ω_A/N 且 l² > ηΩ/ω_A²，以确定磁不稳定的增长率和空间尺度。
• 求解平衡条件 ω_A/Ω = q·Ω/N，其中 q = -∂lnΩ/∂lnr，以推导磁耦合与经向环流之间的平衡。
• 将模型输出与GOLF+MDI和LOWL仪器的日震数据进行比较，初始表面速度分别为20和50 km s⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 泰勒-斯普鲁特发电机能否通过日震观测到的太阳辐射区平坦旋转分布来解释？
• RQ2 与仅包含旋转和湍流扩散的模型相比，包含磁场如何改变内部角速度分布？
• RQ3 在类太阳恒星中，角动量输运中磁扩散（ν）与剪切湍流混合（D_shear）的相对重要性如何？
• RQ4 在差速旋转微弱的太阳这类缓慢旋转恒星中，磁发电机机制是否仍保持有效？
• RQ5 磁模型在多大程度上再现了0.2–0.7 R⊙范围内观测到的角速度分布？

主要发现

• 包含旋转和磁场的模型在0.2至0.7 R⊙的辐射区内部产生近乎恒定的角速度，与日震测量结果一致。
• 磁场扩散系数ν主导了角动量输运，其值极大，从而实现了近似刚体旋转。
• 方位磁场分量B_φ达到约×10² G的量级，足以产生强磁耦合。
• 与非磁性模型相比，剪切湍流混合系数D_shear降低了约四个数量级，表明旋转混合更弱。
• η/K比值极小，验证了推导发电机方程时所作简化假设的合理性。
• 初始表面速度为20和50 km s⁻¹的模型产生非常相似的内部旋转分布，50 km s⁻¹情形下核心略快。