Как обосновать максимальное значение магнитного поля звезды у поверхности?

Во многих лекциях утверждается, что максимальное значение Б Макс магнитного поля на поверхности звезды можно найти в теории гравитации Ньютона, приравняв потенциальную энергию гравитации энергии магнитного поля. Для сферы массы М и радиус р , однородной плотности и однородно намагниченных :

(1) | U грав | "=" 3 г М 2 5 р "=" Е магнит "=" мю 0 мю 2 4 π р 3 ,
где мю - дипольный магнитный момент сферы. Правая часть представляет собой полную энергию, запасенную в магнитном поле диполя:
Е магнит "=" Б 2 2 мю 0 д 3 Икс "=" 0 р Б инт 2 2 мю 0 4 π р 2 д р + р Б доб. 2 ( р , θ ) 2 мю 0 р 2 д р грех θ д θ д ф (2) "=" мю 0 мю 2 4 π р 3 .
Поскольку сфера равномерно намагничена в своем объеме, внутреннее магнитное поле постоянно:
(3) Б инт "=" 2 3 мю 0 М "=" мю 0 мю 2 π р 3 мю "=" 2 π Б инт р 3 мю 0 .
Подставляя этот магнитный момент в экв. (1) дает максимальную напряженность поля внутри и на поверхности сферы:
(4) Б инт макс "=" 3 мю 0 г 5 π М р 2 .
Итак, для звезды массы М "=" 0,6 М и радиус р "=" 10 4 к м (типичный белый карлик), это дает
Б инт макс 5 × 10 7 т е с л а "=" 5 × 10 11 г а ты с с .

Но как мы можем обосновать уравнение (1)? Можно ли сделать его более строгим? Почему мы должны иметь Е магнит + U грав "=" 0 для максимальной напряженности поля ?


РЕДАКТИРОВАТЬ: В случае канонической нейтронной звезды радиуса р 10 к м и масса М 1 , 44 М , уравнение (4) дает

(5) Б инт макс нс 10 14 т е с л а "=" 10 18 г а ты с с ,
что довольно чрезмерно (AFAIK). Самые сильные из известных магнетаров имеют поле не более 10 15 г а ты с с . Итак, есть ли теоретический способ уменьшить значение (5)?

Потому что, если бы полная энергия была больше нуля, звезда была бы несвязанной!
@RobJeffries, энергия Е магнит + U грав это не полная энергия ! Это только часть этого. Внутри звезды может быть давление газа, вырожденное давление Ферми или даже кинетическая энергия вращения. Так это не объясняет, почему Е магнит + U грав должен отменить.
Или это наихудший сценарий, при котором у звезды нет другой внутренней энергии, кроме собственного магнитного поля, поддерживающего весь вес?
Да, конечно, есть внутренняя энергия, и это положительно. Таким образом, случай, который у вас есть, является максимальным, что может иметь энергия магнитного поля и все еще иметь связанную звезду.
Если это наихудший сценарий, общая энергия
Е "=" мю 0 мю 2 4 π р 3 3 г М 2 5 р
допускает минимальное значение при некотором нетривиальном р (учитывая мю как постоянная для данной звезды).
@Cham - есть хорошая статья Рудольфа Троймана о сильнейших магнитных полях во Вселенной (doi 10.3389/fphy.2014.00059 ), в которой есть хорошие обсуждения.

Ответы (1)

Полная энергия звезды должна быть меньше нуля, чтобы она была гравитационно связанным объектом.

Полная энергия представляет собой сумму отрицательной гравитационной потенциальной энергии (ваше выражение предполагает звезду с однородной плотностью) и положительных составляющих, связанных с давлением газа, турбулентностью, вращением и, конечно же, магнитными полями.

Максимальную магнитную энергию можно найти, приравняв полную энергию к нулю и сделав нулевыми другие положительные члены. Если они > 0 (которыми они являются в реальной звезде), тогда, конечно, самая большая возможная магнитная энергия будет меньше.

Затем вам нужно решить, как вы хотите связать это с магнитным полем и дипольным моментом, поскольку плотность магнитной энергии будет зависеть от равновесного размера звезды, хотя я бы подумал, что вы должны сделать Б я н т р 2 постоянная, потому что магнитный поток через поверхность сохраняется при изменении размера.

Я согласен с этим, но полная энергия (магнитное поле + гравитационная энергия) допускает минимум для некоторых нетривиальных р , если мю рассматривается как константа. Это дает конкретное значение магнитного поля, подобное (4), без коэффициента 3 внутри квадратного корня.
@cham Ваш вопрос требует обоснования максимального значения. Конечно, существует глобальный минимум — это будет равновесная конфигурация звезды, если масса и магнитный дипольный момент фиксированы, а радиус может изменяться. Это дает вам радиус звезды, поддерживаемый (исключительно) плотностью магнитной энергии.
Есть кое-что, что я не совсем понимаю в переменных и константах . Является мю константа, если радиус р изменения ? Или Б инт мю / р 3 постоянная? Или что еще?
@cham Я не знаю - это твой вопрос! Мой ответ с точки зрения энергетических соображений не зависит от того, что вы считаете постоянным или переменным. В целом это правда, хотя мне нужно сделать небольшую правку, чтобы быть правильным.
Ага! На самом деле ваше редактирование является решающим моментом. Так ты согласен, что
Б инт макс "=" 3 мю 0 г 5 π М р 2 ?
Тогда что мы могли сказать о р ? Я думаю, что мое замешательство исходит отсюда.
@cham Вы приняли значение для р , но если бы вы действительно хотели получить максимальное магнитное поле, вам пришлось бы последовательно решать М ( р ) а не принимать значение. Я думаю, ты можешь сказать Б я н т р 2 ( 3 мю 0 г / 5 π ) 1 / 2 М .
Хорошо, я думаю, что он у меня есть (извините, если я туплю здесь). Если я хочу звезду ТАКОЙ массы и ТАКОГО размера (так М и р есть некие фиксированные константы ), поддерживаемые только диполярным магнитным полем, то БОЛЬШЕ ЭТОГО мне не нужно Б инт макс ( М , р ) поле внутри звезды. Это дает критическое поле . Если Б инт < Б инт макс ( М , р ) , то гравитация будет давить звезду до тех пор, пока она не достигнет равновесного значения в какой-то р 0 < р . Конечный результат( р 0 0 или р 0 "=" 0 ) зависит от того, какое ограничение я накладываю на свою звезду: мю фиксировано или Б инт фиксируется или что-то еще.
Если рассматривать только поддержку магнитного поля, то звезда может быть только до- или сверхкритической. Отношение магнитного потока к массе является константой любого коллапса, и B-поле никогда не увеличится настолько, чтобы поддерживать звезду меньшего радиуса. т.е. гравитационная потенциальная энергия и магнитная энергия тождественно р 1 потому что Б р 2 является константой.
Вы предполагаете сохранение магнитного потока?