Fluid DynamicsFluid DynamicsИзвестия Российской академии наук. Механика жидкости и газа1024-70843034-5340The Russian Academy of Sciences67251010.31857/S056852812260076XAKEPHJArticlesСтатьиUnknownInteraction of the supersonic stellar wind with the incoming flow of the interstellar medium: the influence of the azimuthal magnetic field of the starВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ЗВЕЗДНОГО ВЕТРА С НАБЕГАЮЩИМ ПОТОКОМ МЕЖЗВЕЗДНОЙ СРЕДЫ: ВЛИЯНИЕ АЗИМУТАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗВЕЗДЫKOROLKOVS. D.КорольковС. Д.korolkov.msu@mail.ruIZMODENOVV. V.ИзмоденовВ. В.izmod@iki.rssi.ruSpace Research InstituteМГУ им. М.В. Ломоносова, Московский центр фундаментальной и прикладной математикиИнститут космических исследований РАНSpace Research InstituteМГУ им. М.В. Ломоносова, Московский центр фундаментальной и прикладной математикиИнститут космических исследований РАН010120231314027022025Copyright ©; 2023, С.Д. Корольков, В.В. ИзмоденовCopyright ©; 2023, С.Д. Корольков, В.В. Измоденов2023С.Д. Корольков, В.В. ИзмоденовС.Д. Корольков, В.В. Измоденовhttps://transsyst.ru/1024-7084/article/view/672510

The problem of the interaction of a hypersonic stellar wind with the surrounding interstellar medium is considered. The media are regarded as fully ionized and are accounted for within the framework of ideal magnetohydrodynamics. The scientific novelty consists in taking into account the magnetic field of a star. The magnetic field qualitatively changes the shape of the astropause under certain parameters. Astropause is a tangential gap that separates the stellar wind from the interstellar medium. Instead of the classical paraboloidal shape, astropause acquires a tube (or cylindrical) shape. It was demonstrated that the tube shape takes place for slowly moving stars or, in the star's coordinate system, for incoming streams with the Mach number ($M_\infty$) less than the critical one. When a critical Mach number ($M_\infty^*$) is reached, the flow regime bifurcates, and the astropause shape changes from tube to classical. For stars with a strong magnetic field, bifurcation occurs at higher Mach numbers than for stars with a weak magnetic field. It is also shown that one more qualitative restructuring of the flow occurs at $M_\infty = 1$. In this case, the shape of the astropause does not change, but a bow shock and a Mach disk are formed.

Рассматривается задача о взаимодействии гиперзвукового звездного ветра с окружающей межзвездной средой. Среды считаются полностью ионизованными и описываются в рамках идеальной магнитогидродинамики. Новизна работы заключается в учете магнитного поля звезды. При определенных параметрах течения магнитное поле качественным образом изменяет форму астропаузы – тангенциального разрыва, отделяющего звездный ветер от межзвездной среды. Вместо классической параболоидальной формы астропауза приобретает трубчатую (или цилиндрическую) форму. Показано, что трубчатая форма имеет место для медленно движущихся звезд или, в системе координат звезды, для набегающих потоков с числом Маха (M∞) меньше критического. При достижении критического числа Маха (\(M_{\infty }^{*}\)) потоком происходит бифуркация режима течения и форма астропаузы изменяется с трубчатой на классическую. Для звезд с сильным магнитным полем бифуркация происходит при бóльших числах Маха, чем для звезд со слабым магнитным полем. Также показано, что при M∞ = 1 происходит еще одна качественная перестройка течения, при которой форма астропаузы не меняется, но образуются головная ударная волна и диск Маха.

stellar windinterstellar mediumastropauseзвездный ветермежзвездная средаастропаузаParker E.N. The Stellar-Wind Regions // Astrophys. J. 531. 1963. https://doi.org/10.1086/147124Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой // Доклады Академии наук СССР. 1970. № 194. С. 41–44.Баранов В.Б., Лебедев М.Г., Рудерман М.С. Структура области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой и ее влияние на проникновение атомов Н в солнечный ветер // Astrophys Space Sci. 1979. С. 429–440. https://doi.org/10.1007/BF00650015Baranov V.M., Malama Iu.G. Model of the solar wind interaction with the local interstellar medium numerical solution of self-consistent problem // JGR. 1993. https://doi.org/10.1029/93JA01171Bertaux J.L., Blamont J.E. Evidence for a source of an extraterrestrial hydrogen lyman-alpha emission // AAP. 1971. № 11. C. 20.Thomas G.E., Krassa R.F. OGO 5 Measurements of the Lyman Alpha Sky Background // AAP. 1971. № 11. C. 218.Wallis M.K. Local interstellar medium // Nature. 1975. №254. C. 202–203.Баранов В.Б., Рудерман М.С. Взаимодействие солнечного ветра с заряженными и нейтральными компонентами межзвездной среды // Письма в Астрономический журнал. 1979. № 5. С. 615–619.Баранов В.Б., Ермаков М.К., Лебедев М.Г. Трехкомпонентная газодинамическая модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1981. № 5. С. 123.Baranov V.B., Ermakov M.K., Lebedev M.G. Three-component gas-dynamic model of the interaction of the solar wind with the interstellar medium // Fluid Dynamics. 1982. № 17. C. 754–759.Baranov V.B., Lebedev M.G., Malama Y.G. The influence of the interface between the heliosphere and the local interstellar medium on the penetration of the H atoms to the Solar system // Astrophysical Journal. 1991. T. 375. № 3. C. 347–351. https://doi.org/10.1086/170194Baranov V.B., Izmodenov V.V. Model Representations of the interaction between the solar wind and the supersonic interstellar medium flow. Prediction and interpretation of experimental data // Fluid Dynamics. 2006. T. 41. № 5. C. 689–707. https://doi.org/10.1007/s10697-006-0089-9Baranov V.B., Zaitsev N.A. On the problem of the solar wind interaction with magnetized interstellar plasma // Astronomy and Astrophysics. 1995. № 304. C. 631.Pogorelov N., Matsuda T. Application of numerical methods to modeling the stellar wind and interstellar medium interaction // 1998/ eprint arXiv:physics/9807031.Linde T.J., Gombosi T.I., Roe P.L., Powell K.G., Dezeeuw D.L. Heliosphere in the magnetized local interstellar medium: Results of a three-dimensional MHD simulation // Journal of Geophysical Research. 1998. № 103. C. 1889–1904. https://doi.org/10.1029/97JA02144Alexashov D.B., Izmodenov V.V. Kinetic vs. multi-fluid models of H atoms in the heliospheric interface: a comparison // Astronomy and Astrophysics. 2005. № 439. C. 11171–1181. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20052821Yu G. The interstellar wake of the solar wind // Astrophysical Journal. 1974. № 194. C. 187–202. https://doi.org/10.1086/153235Opher M., Drake J.F., Zieger B., Zieger M., Gombosi T.I. Magnetized Jets Driven by the Sun: The Structure of the Heliosphere Revisited // Astrophysical Journal Letter. 2015. № 800. https://doi.org/10.1088/2041-8205/800/2/L28Drake J.F., Swisdak M., Opher M. A Model of the Heliosphere with Jets // Astrophysical Journal. 2015. https://doi.org/2015AGUFMSH53C.02DIzmodenov V.V., Alexashov D.B. Three-dimensional kinetic-MHD model of the global heliosphere with the heliopause-surface fitting // Astrophysical Journal, Supplement Series. 2015. https://doi.org/10.1088/0067-0049/220/2/32Izmodenov V.V., Alexashov D.B. Magnitude and direction of the local interstellar magnetic field inferred from Voyager 1 and 2 interstellar data and global heliospheric model // Astronomy and Astrophysics. 2020. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201937058Pogorelov N.V., Borovikov S.N., Heerikhuisen J., Zhang M. The Heliotail // Astrophysical Journal. 2015. https://doi.org/10.1088/2041-8205/812/1/L6Pogorelov N.V., Fichtner H., Czechowski A., Lazarian A., Lembege B., le Roux J.A., Potgieter M.S., Scherer K., Stone E.C., Strauss R.D., Wiengarten T., Wurz P., Zank G.P., Zhang M. Heliosheath Processes and the Structure of the Heliopause: Modeling Energetic Particles, Cosmic Rays, and Magnetic Fields // Space Science Reviews. 2017. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0354-8Parker E.N. Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields // Astrophysical Journal. 1958. V. 128. P. 664. https://doi.org/10.1086/146579Golikov E.A., Izmodenov V.V., Alexashov D.B., Belov N.A. Two-jet astrosphere model: effect of azimuthal magnetic field // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2017. https://doi.org/10.1093/mnras/stw2402Golikov E.A., Izmodenov V.V., Alexashov D.B. Two-jet structure of the ow produced by magnetized hypersonic spherical source into the steady unmagnetized medium// Journal of Physics: Conference Series. 2017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/815/1/012035Korolkov S.D., Izmodenov V.V., Alexashov D.B. Numerical modeling of the convective Kelvin-Helmholtz instabilities of astropauses // Journal of Physics: Conference Series. 2020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1640/1/012012Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976.Gurski K.F. An HLLC-type approximate Riemann solver for ideal magnetohydrodynamics // SIAM J. Sci. Comput. 2004. V. 2165. P. 25.Powell K.G., Roe P.L., Linde T.J., Gombosi T.I., Zeeuw D.L. A Solution-Adaptive Upwind Scheme for Ideal Magnetohydrodynamics // Journal of Computational Physics. 1999. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6299Osher Level Set Methods and Dynamic Implicit Surfaces. New York: Springer-Verlag, 2003. https://doi.org/10.1007/b98879Korolkov S.D., Izmodenov V.V. New unexpected flow patterns in the problem of the stellar wind interaction with the interstellar medium: stationary ideal-MHD solutions // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2021.https://doi.org/10.1093/mnras/stab1071