معادلة لين-إمدن

في الفيزياء الفلكية ، تُعدّ معادلة لين-إمدن صيغةً لا بُعدية لمعادلة بواسون للجهد التثاقلي لسائل نيوتوني متناظر كرويًا، ذي جاذبية ذاتية، ومتعدد الخواص . سُمّيت هذه المعادلة نسبةً إلى عالمي الفيزياء الفلكية جوناثان هومر لين وروبرت إمدن . [ 1 ] نص المعادلة هو:
أيننصف قطر بلا أبعاد ويرتبط ذلك بالكثافة، وبالتالي بالضغط، من خلالللكثافة المركزيةالفهرسهو مؤشر متعدد الخواص يظهر في معادلة الحالة متعددة الخواص، أينويمثلان الضغط والكثافة على التوالي، وثابت تناسب. شروط الحدود القياسية هيووبالتالي، تصف الحلول تغير الضغط والكثافة مع نصف القطر، وتُعرف باسم متعددات الأشكال ذات الدليلإذا تم استخدام سائل متساوي الحرارة (مؤشر متعدد الخواص يميل إلى اللانهاية) بدلاً من سائل متعدد الخواص، فسيتم الحصول على معادلة إمدن-تشاندراسيكار .
التطبيقات
فيزيائيًا، يربط التوازن الهيدروستاتيكي بين تدرج الجهد والكثافة وتدرج الضغط، بينما تربط معادلة بواسون الجهد بالكثافة. لذا، إذا توفرت لدينا معادلة أخرى تحدد كيفية تغير الضغط والكثافة بالنسبة لبعضهما البعض، يُمكننا التوصل إلى حل. إن اختيار غاز متعدد الخواص كما هو موضح أعلاه يجعل الصياغة الرياضية للمسألة موجزة للغاية، ويؤدي إلى معادلة لين-إمدن. تُعد هذه المعادلة تقريبًا مفيدًا للكرات البلازمية ذاتية الجاذبية، مثل النجوم، ولكنها عادةً ما تُمثل فرضية محدودة.
الاشتقاق
من التوازن الهيدروستاتيكي
لنفترض وجود سائل متناظر كرويًا وذا جاذبية ذاتية في حالة توازن هيدروستاتيكي . الكتلة محفوظة، وبالتالي يمكن وصفها بمعادلة الاستمرارية. أينهي وظيفة منمعادلة التوازن الهيدروستاتيكي هي أينوهي أيضاً وظيفة من وظائف. الاشتقاق مرة أخرى يعطي حيث تم استخدام معادلة الاستمرارية لاستبدال تدرج الكتلة. بضرب كلا الطرفين فيوجمع مشتقاتعلى اليسار، يمكن للمرء أن يكتب
بقسمة كلا الجانبين علىينتج عن ذلك، بمعنى ما، شكلٌ ذو أبعاد للمعادلة المطلوبة. وإذا استبدلنا، بالإضافة إلى ذلك، معادلة الحالة متعددة الخواص بـولدينا
جمع الثوابت والتعويض بها، أين لدينا معادلة لين-إمدن،
من معادلة بواسون
وبالمثل، يمكن للمرء أن يبدأ بمعادلة بواسون ،
يمكن استبدال تدرج الجهد باستخدام التوازن الهيدروستاتيكي، عبر وهذا بدوره يؤدي إلى الشكل البُعدي لمعادلة لين-إمدن.
الحلول الدقيقة
For a given value of the polytropic index , denote the solution to the Lane–Emden equation as . In general, the Lane–Emden equation must be solved numerically to find . There are exact, analytic solutions for certain values of , in particular: . For between 0 and 5, the solutions are continuous and finite in extent, with the radius of the star given by , where .
For a given solution , the density profile is given by
The total mass of the model star can be found by integrating the density over radius, from 0 to .
The pressure can be found using the polytropic equation of state, , i.e.
Finally, if the gas is ideal, the equation of state is , where is the Boltzmann constant and the mean molecular weight. The temperature profile is then given by
In spherically symmetric cases, the Lane–Emden equation is integrable for only three values of the polytropic index .
For n = 0
If , the equation becomes
Re-arranging and integrating once gives
Dividing both sides by and integrating again gives
The boundary conditions and imply that the constants of integration are and . Therefore,
For n = 1
When , the equation can be expanded in the form
One assumes a power series solution:
This leads to a recursive relationship for the expansion coefficients:
This relation can be solved leading to the general solution:
The boundary condition for a physical polytrope demands that as . This requires that , thus leading to the solution:
For n = 2
This exact solution was found by accident when searching for zero values of the related TOV Equation.[2]
We consider a series expansion around with initial values and . Plugging this into the Lane–Emden equation, we can show that all odd coefficients of the series vanish . Furthermore, we obtain a recursive relationship between the even coefficients of the series. The series converges for .[3]
For n = 5
We start from with the Lane–Emden equation:
Rewriting for produces:
Differentiating with respect to ξ leads to:
Reduced, we come by:
Therefore, the Lane–Emden equation has the solution when . This solution is finite in mass but infinite in radial extent, and therefore the complete polytrope does not represent a physical solution. Chandrasekhar believed for a long time that finding other solution for "is complicated and involves elliptic integrals".
Srivastava's solution
In 1962, Sambhunath Srivastava found an explicit solution when .[4] His solution is given by and from this solution, a family of solutions يمكن الحصول على هذا الحل باستخدام تحويل التماثل. ولأن هذا الحل لا يفي بالشروط عند نقطة الأصل (في الواقع، هو حل تذبذبي تتزايد سعته بلا حدود كلما اقتربنا من نقطة الأصل)، فإنه يمكن استخدامه في النماذج النجمية المركبة.
الحلول التحليلية
في التطبيقات، تلعب الحلول التحليلية التي يمكن التعبير عنها بواسطة متسلسلة قوى متقاربة موسعة حول نقطة ابتدائية معينة دورًا رئيسيًا . عادةً ما تكون نقطة التوسع هيوهي أيضًا نقطة شاذة (شذوذ ثابت) للمعادلة، ويتم توفير بعض البيانات الأولية.في مركز النجمة. يمكن إثبات [ 5 ] [ 3 ] أن المعادلة لها متسلسلة قوى متقاربة/حل تحليلي حول نقطة الأصل على النحو التالي:

نصف قطر تقارب هذه المتسلسلة محدود بسبب وجود نقطتين شاذتين [ 3 ] [ 7 ] على المحور التخيلي في المستوى المركب . تقع هاتان النقطتان الشاذتان بشكل متناظر حول نقطة الأصل. ويتغير موقعهما بتغيير معلمات المعادلة والشرط الابتدائي .ولذلك، تُسمى هذه النقاط بالنقاط الشاذة المتحركة، وذلك نسبةً إلى تصنيف بول بانليفيه لنقاط الشذوذ في المعادلات التفاضلية العادية غير الخطية في المستوى المركب . ويظهر هيكل مشابه لنقاط الشذوذ في معادلات غير خطية أخرى ناتجة عن اختزال مؤثر لابلاس في التناظر الكروي، مثل معادلة الكرة متساوية الحرارة. [ 7 ]
يمكن توسيع الحلول التحليلية على طول خط الأعداد الحقيقية باستخدام إجراء الاستمرار التحليلي ، مما ينتج عنه الشكل الكامل لنوى النجوم أو السحب الجزيئية . كما يمكن مطابقة حلين تحليليين متداخلين في دوائر التقارب للحصول على حل نطاق أكبر، وهي طريقة شائعة الاستخدام لبناء خصائص محددة.
يُستخدم حل المتسلسلة أيضًا في التكامل العددي للمعادلة. ويُستخدم لإزاحة البيانات الأولية للحل التحليلي قليلًا عن نقطة الأصل، حيث تفشل الطرق العددية عند نقطة الأصل بسبب تفرد المعادلة.
الحلول العددية
بشكل عام، يتم إيجاد الحلول عن طريق التكامل العددي. تتطلب العديد من الطرق القياسية صياغة المسألة كنظام من المعادلات التفاضلية العادية من الرتبة الأولى . على سبيل المثال، [ 8 ]
هنا،يُفسَّر على أنه الكتلة عديمة الأبعاد، والمحددة بواسطةالشروط الأولية ذات الصلة هيوتمثل المعادلة الأولى التوازن الهيدروستاتيكي، وتمثل الثانية حفظ الكتلة.
المتغيرات المتماثلة
معادلة ثابتة تحت تأثير التماثل
من المعروف أنه إذاإذا كان حلاً لمعادلة لين-إمدن، فإن كذلك[ 9 ] تُسمى الحلول المرتبطة بهذه الطريقة بالحلول المتجانسة ؛ والعملية التي تُحوّلها تُسمى التجانس . إذا اخترنا متغيرات ثابتة في التجانس، فيمكننا تقليل رتبة معادلة لين-إمدن بمقدار واحد.
توجد مجموعة متنوعة من هذه المتغيرات. والخيار المناسب هو و
يمكننا اشتقاق لوغاريتمات هذه المتغيرات بالنسبة إلى، مما يعطي و
وأخيرًا، يمكننا تقسيم هاتين المعادلتين للتخلص من الاعتماد علىمما يترك
أصبحت هذه الآن معادلة واحدة من الدرجة الأولى.
طوبولوجيا المعادلة الثابتة تحت تأثير التماثل
يمكن اعتبار المعادلة الثابتة تحت تأثير التماثل بمثابة زوج مستقل من المعادلات و
يمكن تحديد سلوك حلول هذه المعادلات من خلال تحليل الاستقرار الخطي . النقاط الحرجة للمعادلة (حيث) والقيم الذاتية والمتجهات الذاتية لمصفوفة جاكوبي مُدرجة في الجدول أدناه. [ 10 ]
| نقطة حرجة | القيم الذاتية | المتجهات الذاتية |
|---|---|---|
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ لين، جوناثان هومر (1870). "حول درجة الحرارة النظرية للشمس، بافتراض وجود كتلة غازية تحافظ على حجمها بحرارتها الداخلية، واعتمادًا على قوانين الغازات كما هو معروف في التجارب الأرضية" . المجلة الأمريكية للعلوم . 2. 50 (148): 57-74 . Bibcode : 1870AmJS...50...57L . doi : 10.2475/ajs.s2-50.148.57 . ISSN 0002-9599 . S2CID 131102972 .
- ↑ بلاير، جوناس. "القيم الصفرية لمعادلة TOV" . جيت هاب . تم الاطلاع عليه في 4 يناير 2024 .
- 1 2 3 هنتر، سي. (11 ديسمبر 2001). "حلول متسلسلة للبوليتروب والكرة متساوية الحرارة" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 328 (3): 839-847 . Bibcode : 2001MNRAS.328..839H . doi : 10.1046/j.1365-8711.2001.04914.x . ISSN 0035-8711 .
- ↑ سريفاستافا، شامبوناث (1962). "حل جديد لمعادلة لين-إمدن ذات الدليل n=5". المجلة الفيزيائية الفلكية . 136 : 680. Bibcode : 1962ApJ...136..680S . doi : 10.1086/147421 . ISSN 0004-637X .
- ↑ كيسيا، رادوسلاف أنتوني (2020). "معادلات لين-إمدن المضطربة كمسألة قيمة حدية ذات نقاط نهاية شاذة" . مجلة الأنظمة الديناميكية والتحكم . 26 (2): 333-347 . arXiv : 1810.01410 . doi : 10.1007/s10883-019-09445-6 . ISSN 1079-2724 .
- ↑ كيسيا، رادوسلاف أنتوني؛ فيليبك، غالينا (2015)، "حول حالات التفرد في معادلات إمدن-فاولر" ، في ميتيوشيف، فلاديمير ف.؛ روزانسكي، مايكل ف. (محرران)، الاتجاهات الحالية في التحليل وتطبيقاته ، تشام: دار نشر سبرينغر الدولية، ص 93-99 ، doi : 10.1007/978-3-319-12577-0_13 ، ISBN 978-3-319-12576-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يوليو 2020
- 1 2 كيسيا، رادوسلاف أنتوني؛ فيليبك، غالينا (2015). "حول معادلات إمدن-فاولر المعممة ومعادلات الكرات متساوية الحرارة" . الرياضيات التطبيقية والحساب . 265 : 1003-1010 . doi : 10.1016/j.amc.2015.05.140 .
- ↑ هانسن، كارل جيه؛ كاولر، ستيفن دي؛ تريمبل، فيرجينيا (2004). باطن النجوم: المبادئ الفيزيائية، والبنية، والتطور . نيويورك، نيويورك: سبرينغر. ص 338. ISBN 9780387200897.
- ↑ تشاندراسيكار، سوبرامانيان (1957) [1939]. مقدمة لدراسة بنية النجوم . دوفر. Bibcode : 1939isss.book.....C . ISBN 978-0-486-60413-8.
{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة ) - ↑ هوريدت، جورج ب. (1987). "طوبولوجيا معادلة لين-إمدن". علم الفلك والفيزياء الفلكية . 117 ( 1-2 ): 117-130 . رمز Bibcode : 1987A & A...177..117H . ISSN 0004-6361 .
للمزيد من القراءة
- هوريدت، جورج ب. (2004). البوليتروب - تطبيقات في الفيزياء الفلكية والمجالات ذات الصلة . دوردريخت: دار نشر كلوير الأكاديمية . ISBN 978-1-4020-2350-7.
- ديفيد، هارولد ت. (2010). مقدمة في المعادلات التفاضلية والتكاملية غير الخطية . منشورات دوفر . ISBN 978-0486609713.
روابط خارجية
- الفيزياء الفلكية
- المعادلات التفاضلية العادية
