21.4. ЦТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЯСОВ

Попытки выяснить механизм, который создает пояса гравитационной энергии (разд. 21.2), следует начать с анализа выпадения газового облака по направлению к центральному телу. Чтобы взбежать трудностей, присущих всем теориям первичного Солнца, мы будем, как говорилось в гл. 1 и разд. 16.9, основываться в своем рассмотрении главным образом на образовании спутников вокруг планеты.

Облако газа, рассматриваемое нами в процессе образования спутника, является локальным облаком, находящимся на большом расстоянии от намагниченного, обладающего гравитацией центрального тела. Это облако, называемое облаком-источником (см. разд. 21.11.1), располагается в пределах струйного потока, в котором образовалось или образуется центральное тело, и таким образом является частью объема газа самого струйного потока ^рис. 21.4.1). Кроме того, облако содержит зерна, из которых путем аккреции образуется центральное тело. Для простоты предположим, что первоначально облако находилось в состоянии покоя лри такой низкой температуре, что тепловой скоростью частиц

Рис. 21.4.1. (см. скан) Качественная картина выпадения газа из невозмущенного струйного потока (1) по направлению к планете. Газ, ионизуясь, доводится до частичной коротации и в конечном счете образует струйные потоки спутников (2). 3 — область выпадения газа, 4 — планета в состоянии аккреции.

можно пренебречь по сравнению со скоростью их свободного падения. Тогда каждый атом облака будет падать радиально по направлению к центру тела, обладающего тяготением. Если облако газа частично ионизовано, то ионы и электроны, ларморовский радиус которых неизбежно мал по сравнению с расстоянием до центрального тела, будут испытывать влияние магнитного поля даже на больших расстояниях от центрального тела, что в конечном счете приведет к прекращению их свободного падения. Следовательно, в нашем идеализированном случае будут выпадать только нейтральная компонента, зерна и газ. Выпадение зерен является основным процессом для образования и роста центрального тела (которое приобретает вращение в результате асимметрии этого выпадения; подробнее см. в гл. 13).

Теперь рассмотрим выпадение газа в идеализированном случае, когда не происходит возмущения газа в результате выпадения зерен. Вероятно, такая ситуация имеет место, когда аккреция

центрального тела близка к завершению. Поэтому предположим, что в определенный период времени происходит постоянное выпадение газа по направлению к центральному телу, состояние которого приблизительно соответствует его современному состоянию.

Предположим, что на некотором расстоянии от центрального тела находится очень тонкое облако плазмы, которое также имеет пренебрежимо малую тепловую скорость и из-за воздействия магнитного поля находится в состоянии покоя. (Эффектом вращения тела мы здесь пренебрегаем; он будет введен в разд. 21.13.) Предполагается, что плотность плазмы настолько низка, что средняя длина свободного пробега атомов превышает размеры облака. (Для плотностей средняя длина свободного пробега больше размеров областей образования спутников, т. е. не больше расстояния от планеты до наиболее удаленного спутника. Однако размер рассматриваемого облака может быть примерно на порядок меньше, допуская несколько более высокие плотности, но средняя длина свободного пробега все же должна быть много больше размера облака.)

Когда выпадающие атомы достигают этого облака плазмы, некоторые из них пройдут через него без столкновений, а некоторые будут соударяться, не ионизуясь, и отражаться, но ни один из этих процессов не окажет очень сильного воздействия на состояние облака.

Однако если атомы прибывают к облаку с достаточно высокой скоростью, при некоторых столкновениях они могут ионизоваться. Под влиянием магнитного поля образованные таким образом ионы и электроны быстро затормозятся и включатся в облако плазмы. Поэтому плотность облака будет расти, приводя к тому, что оно будет все больше захватывать выпадающие атомы. В экстремальном случае плотность может настолько увеличиться, что средняя длина свободного пробега атомов окажется меньше размера облака; в результате произойдет полное торможение выпадающего газа. (Мы предполагаем, что магнитное поле достаточно сильное, чтобы удержать возникшее облако плотной плазмы; см. разд. 16.3 - 16.5.)

Основной теоретический анализ электрического пробоя в газе проводится в условиях, при которых электрическое поле будет сообщать электрону энергию, достаточную для образования новых электронов, так чтобы могла возникнуть лавина. «Первоначальное» существование свободных электронов можно принять без доказательства. По существу наш случай подобен этому. Наличие тонких плазменных облаков где-нибудь в космическом пространстве можно принять без доказательства. Вопрос, который мы себе зададим, заключается в следующем: что это за условия, при которых выпадающие атомы настолько часто ионизуются, что плотность исходного облака плазмы будет расти лавинообразно? Вероятно,

критическим параметром является скорость выпадения. В нашей упрощенной модели облако выпадающего газа остановится на расстоянии где его скорость падения достигнет величины такой, что

где — масса атома. На этом расстоянии удельная гравитационная потенциальная энергия будет равна где

Следовательно, величина зависит только от Поскольку является параметром, определяющим нижнюю границу ионизации выпадающего газа, можно рассматривать как аналог электрического поля при пробое в теории электрических разрядов.

Аналогия между остановкой выпадающего облака и электрическим пробоем в действительности еще ближе. Фактически из системы координат, связанной с выпадающим облаком, следует, что имеется электрическое поле

которое увеличивается во время падения газа, поскольку возрастают как скорость падения так и дипольное магнитное поле В. Если напряженность электрического поля превысит определенное критическое значение то возникает разряд за счет некоторого (еще не установленного) механизма переноса энергии к электронам. Это будет приводить по крайней мере к частичной ионизации облака выпадающего газа. В случаях когда интенсивность столкновений для электронов низка, механизм переноса энергии от электрического поля (т. е. от выпадающего газа) к электронам очень сложен и все еще не совсем ясен. (Электрическое поле в системе координат, связанной с облаком газа, не может непосредственно ускорять электроны; в магнитном поле электроны не могут приобрести энергии больше, чем разность потенциалов в пределах ларморовского радиуса при каждом столкновении, а она очень мала.) Тем не менее этот механизм был эмпирически продемонстрирован и оказался весьма эффективным в целом ряде плазменных экспериментов (см. разд. 21.8 и библиографические ссылки). При некоторых (довольно общих) условиях он может привести к снижению скорости облака и,

возможно, к его остановке. Разряд может возникнуть, когда превысит величину связанную с соотношением

Следовательно, ионизация выпадающего облака может быть еще обусловлена электрическим полем, превышающим