аккреційному диски
Аккреційному диску - диски, утворені газом, що перетікає на компактні зірки (білі карлики, нейтронні зірки, чорні діри) від зірок-компаньйонів в подвійних системах. А. д. Виявляють себе рентген. випромінюванням, а в оптич. діапазоні затемненнями видимої зірки, переменностью блиску внаслідок нестійкості або прецесії диска, а також характерним роздвоєнням спектр. ліній. А. д. Є відповідальними за багато спостережні прояви подвійних рентген. джерел, спалахову (вибухових) змінних, зірок типу U Близнюків і т. д. А. д. випромінюють як за рахунок виділення гравітаційної енергії при акреції речовини, так і внаслідок переробки і переизлучения поверхнею зовн. областей диска жорсткого (короткохвильового) випромінювання центрального джерела і внутр. областей диска. Дискова аккреция речовини (аккреция речовини з великим моментом кількості руху, що призводить до утворення А. д.) На надмасивні чорні діри явл. одним з найбільш поширених пояснень активності ядер галактик і квазарів. Розробляється також теорія дискової акреції міжзоряного газу на поодинокі нейтронні зірки і чорні діри. Протопланетний газопилової диск, мабуть, багато в чому був подібний до А. д. (Див. Походження Сонячної системи).
Механіка дискової акреції. Сферично-симетричне радіальне падіння речовини на гравитирующего центр (зірку, чорну діру і т. Д.) Можливе лише за малому уд. моменті імпульсу (момент імпульсу од. маси) падаючого речовини. Якщо ж падаюче речовина володіє значить. питомою моментом імпульсу l0. то закон збереження моменту імпульсу не дозволяє речовині наблизитися до гравитирующего центру суттєво ближче відстані R0 = l0 2 / G = 2l0 2 / rg c 2. при к-ром lо збігається з уд. моментом імпульсу речовини на круговій кеплеровской орбіті навколо об'єкта з масою. Тут rg = 2G / c 2 - гравітаційний радіус компактного об'єкта. (Для того щоб наблизитися до зірки на меншу відстань, речовини необхідно зменшити свої момент імпульсу.) Зіткнення між частинками газу швидко встановлюють переважне напрямок обертання (визначається сумарним моментом імпульсу падаючого речовини), а в результаті радіаційного відведення енергії відбувається втрата компонента швидкості, перпендикулярного площині обертання. В результаті падає (аккрецируют) газ з уд. моментом імпульсу l0 повинен збиратися в вузьке і тонке кільце радіуса R0. Ширина кільця визначається дисперсією (розкидом) початкового значення уд. моменту імпульсу, а товщина - температурою речовини в кільці. Через диференціального характеру кеплеровского обертання (швидкість обертання різна на різних відстанях R) в кільці може виникнути турбулентність (числа Рейнольдса зазвичай дуже великі). Турбулентна (або магнітна, при наявності дрібномасштабного магн. Поля) в'язкість призводить до розпливання кільця. Внутр. шари кільця, що обертаються швидше, передають зовн. верствам частина моменту імпульсу і наближаються до зірки, а зовнішні віддаляються від неї через придбання додаткового моменту імпульсу. Т. о. частина речовини просувається до гравитирующего центру, а ін. частина відтікає від нього, несучи з собою надлишок моменту імпульсу. Так формується А. д.
Речовина в диску рухається практично по кругових кеплеровским орбітах, але є і малий радіальний компонент швидкості, т. Е. Траєкторії частинок є повільно закручується спіраль. Газ тече у напрямку до гравитирующего центру, а в протилежному напрямку в результаті дії сил тертя відводиться надлишкова момент імпульсу і відповідний йому потік механічні. енергії.
Мал. 1. Подвійна система, що включає
чорну діру і нормальну зірку,
заповнює свою порожнину Роша.
Зображена струмінь перетікає
речовини і аккреційний диск навколо
чорної діри.
У подвійних зоряних системах (див. Подвійні зірки) джерелом речовини, що формує А. д. Явл. нормальні (невироджені) зірки. Якщо норм, компонент подвійної системи заповнює свою критич. порожнину Роша, то втрата маси відбувається через внутр. точку Лагранжа (див. Порожнина Роша). Через дії коріолісових сил формується струмінь, яка живить речовиною А. д. (Рис. 1, 2 (I)). У місці перетину струменя і диска формується характерне "гаряче пляма".
У разі, якщо норм. компонент не заповнює свою критич. порожнину Роша і втрачає масу за допомогою зоряного вітру (рис. 2 (II, а)), то з захоплюваної компактним об'єктом частини цієї речовини також може сформуватися А. д. Для цього необхідно, щоб радіус R0 перевершував радіус зірки (пли радіус її магнітосфери при наявності сильного маги. поля) або дек. гравитац. радіусів в разі чорної діри. При порівняно низькому темпі акреції (кількість речовини, що випадає на гравитирующего центр в од. Часу) перед релятивістської зіркою утворюється лобова ударна хвиля. в якій газ прогрівається до темп-ри Т> mpv 2 / 6k T> 10 7 К (mp - маса протона, швидкість зоряного вітру v
10 3 км / с). За хвилею реалізуються умови для сферично-симетричною акреції (рис. 2 (II, б)). У цій ситуації момент імпульсу захопленого речовини зазвичай малий і диск може утворюватися лише в разі акреції на чорну діру або нейтронну зірку без сильного магнітного. поля. У разі високого темпу акреції при перетині надзвукових газових потоків за релятивістської зіркою утворюється ударна хвиля, в якій переходить в теплоту і випромінюється частина кінетичної. енергії потоків. Акреція і відтік речовини відбуваються у вузькому конусі за релятивістської зіркою (рис. 2 (II, в)).
Рис.2. Три типу аккреаціонних течій в тесних' подвійних
системах. I, а - нормальна зірка заповнює свою
полостьРоша, витікання відбувається через внутрішню
точку Лагранжа L1; б - навколо релятивістської зірки формується
аккреційний диск (вид збоку). II, а - нормальна зірка втрачає
речовина у вигляді зоряного вітру; б і в - ударні хвилі
(Пунктир) і характер перебігу (стрілки) при низькому і
високому темпах акреції.
Зовн. межа А. д. мабуть, визначається дією на диск приливних сил з боку норм. компонента. При розмірах А. д. Порядку половини розміру критич. порожнини Роша компактної зірки приливні сили в в'язкому диску забезпечують відведення моменту імпульсу до зовнішнього краю диска і А. д. далі не розпливається. При цьому збільшується орбітальний момент імпульсу подвійний системи. Слід зазначити також, що в подвійній системі замкнуті непересічні кеплерівські орбіти існують лише в межах приблизно половини радіусу критич. порожнини Роша компактної зірки.
Енерговиділення в диску. При радіальному просуванні речовини виділяється гравитац. енергія, яка транстформіруется в теплоту і випромінюється поверхнею А. д. Дійсно, при переміщенні даної маси газу m 'з круговою кеплеровской орбіти радіусом R1 на орбіту радіусом R2 Q = (3/8 p) G R -3 s. Поправка s = [1 - (Rв / R) 1/2], де R в - внутр. межа А. д. відповідає ньютонівської механіці. У разі акреції на шварцшільдовскім чорну діру ф-ла дає похибку до 20%. Спектр випромінювання диска складається з спектрів випромінювання ізотермічних концентричних кілець. У першому наближенні можна прийняти, що кожна точка поверхні диска випромінює як абсолютно чорне тіло. Знаючи вид залежності Q (R), можна знайти залежність темп-ри поверхні диска від осн. безрозмірних параметрів: T = (Q / s) 1/4 = 2. 10 7 r -3/4 m -1/4 1/4 s 1/4 (К) (S - постійна Стефана - Больцмана), т. Е. Поблизу нейтронної зірки або чорної діри зоряної маси диск повинен випромінювати в рентген. діапазоні, а периферія диска повинна бути холодною і випромінювати в основному в ІК і оптич. діапазонах. (В разі акреції на обертову чорну діру в зоні rg / 2 v 1/3. Насправді ж поверхню А. д. Випромінює не як абсолютно чорне тіло, внаслідок чого спостерігаються сильні відхилення від цього закону. Внутрішня межа і світність диска. У разі А. д. Навколо шварцшільдовскім чорної діри стійкі кеплерівські орбіти існують лише при R R в = 3rg. Тому внутр. кордоном диска явл. саме радіус R в. В області R 2. Т. о. при темпі акреції світність диска навколо шварцшільдовскім чорної діри повинна складати. У разі обертається чорної діри, при збігу осей обертання чорної діри і диска, А. д. Може сягати до Rв = rg / 2. При цьому в диску може перетворюватися в теплоту і випромінюватися його поверхнею до. Однак істотна частина випромінювання через викривлення траєкторій світлових променів поглинається чорною дірою або відчуває сильне червоний зсув. Світність диска для віддаленого спостерігача не може перевищувати. При акреції на зірку (білий карлик, нейтронну зірку) внутр. межа диска Rв лежить поблизу поверхні зірки Rп. При наявності у зірки сильного магнітного. поля її магнітосфера перешкоджає проникненню диска до поверхні зірки і порушує дискову картину акреції в зоні R> Rм. т. е. в тій області магнітосфери, де тиск магнітного. поля порівнюється з тепловим тиском плазми в диску. Якщо зірка обертається з кутовою швидкістю W. то існує радіус, на к-ром швидкості обертання магнітосфери і речовини в кеплеровском диску збігаються. Цей радіус зв. радіусом коротаціі Rк. Мабуть, у багатьох рентгенівських пульсарів. на к-які йде дискова аккреция, значення Rм близько до Rк. Енергія зв'язку маси m 'на кеплеровской орбіті з радіусом R = R п дорівнює. Отже, світність диска Якщо внутр. межа А. д. визначається його взаємодією з магнітосферою, то в цю ф-лу замість Rп слід підставити Rм. Прикордонний шар. При акреції на зірку зі слабким магн. полем А. д. має сягати аж до поверхні зірки. У диску у поверхні зірки швидкість частинок кеплерівської (), а швидкість обертання зірки на екваторі (vп = W Rп) багато менше кеплеровской. В результаті поблизу поверхні зірки формується тонкий (D R < Нестійкості і змінність випромінювання А. д. Дискова аккреция стійка в зоні, де головний внесок в тиск дає тиск речовини. Але у внутрішній, найгарячішою зоні диска домінує тиск випромінювання. У цій зоні диск нестійкий. Теплова і динамічна нестійкості призводять до поділу речовини на більш гарячі і більш холодні кільця і шари. Характерні часи нестійкості дуже малі - близько часу дек. обертів навколо гравитирующего центру. Нестійкість може призводити до змінності випромінювання диска і утворення у внутр. зоні диска гарячої плазми з температурою, різної для електронів (Ті = 3. 10 8 - 10 9 К) і протонів (Tр 10 10 - 10 11 До). Характерне час змінності випромінювання А. д. (Час помітної зміни інтенсивності випромінювання) може бути дуже мало, т. К. Час звернення аккрецируют речовини навколо чорної діри з поблизу останньої стійкої орбіти близько до 1 мс. Якщо в результаті нестійкості на А. д. Утворюється яскраве "гаряче пляма", то, спостерігаючи його випромінювання, можна отримати унікальну інформацію про параметри чорної діри і, зокрема, визначити, обертається вона чи ні. "Гаряче пляма" у внутр. областях диска буде володіти релятивістської швидкістю Vк від 1/3 до 1/2 швидкості світла. При великих кутах нахилу диска (промінь зору близький до площині диска) це буде призводити до посилення випромінювання плями, коли воно рухається до спостерігача, і різкого ослаблення, коли воно рухається від спостерігача. Повинна виникати характерна картина квазіперіодіч. змінності випромінювання плями. Таке пляма може грати роль зонда, що запускається до чорної діри, - змінне рентген. випромінювання плями може показати, як воно підходить до останньої стійкої орбіті і по спіралі йде із зони видимості. Диски навколо надмасивних чорних дір. Активність ядер галактик і квазарів пояснюється (в рамках однієї з найбільш поширених теоретич. Моделей активності цих об'єктів) дискової акреції на що знаходяться в ядрах надмасивні (від 10 5 до 10 9) чорні діри. Аккрецируют газ надходить з галактики, навколишнього активне ядро (онявл. Продуктом зоряного вітру, вибухів зірок, приливної руйнування зірок, що пролітають повз надмасивної чорної діри, а також може надходити в галактику при охолодженні гарячого міжгалактичного газу). Критич. світність диска навколо чорної діри зростає пропорційно її масі, так що світність квазарів L 10 47 ерг / с легко пояснюється дискової акреції речовини з в рік на чорну діру з масою. У А. д. Існує два виділених напрямки (по осі диска), в яких брало може йти прискорення речовини, обумовлене як тиском випромінювання, так і електромагнітного магн. силами. Це відкриває можливість пояснення природи викидів (джетів), які спостерігаються в ядрах галактик і квазарів, а також в об'єкті SS 433. Дискова аккреция на білі карлики. Надзвичайно численні в Галактиці тісні подвійні зірки, в яких брало йде дискова аккреция на білі карлики. Постачальником речовини в цих системах явл. зірки - червоні карлики. Диски в цих системах часто бувають яскравіше, ніж видима зірка. Такі подвійні зірки виявляють себе як вибухові змінні, поляри (зірки з сильною і змінної поляризацією випромінювання) і т. Д. (Див. Змінні зірки).Схожі статті