Аккреция
- Источник статьи: Большая российская энциклопедия[1]
АККРЕ́ЦИЯ (от лат. accretio – приращение, увеличение) в астрономии – процесс захвата вещества из окружающего пространства гравитационным полем небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела.
С середины 20 века термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздных и межпланетных газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К аккреции относят также перетекание вещества в тесных двойных звёздных системах с одного компонента на другой. Аккреция вещества на конечные продукты звёздной эволюции – белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры – сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе аккреция играла важную роль при формировании планет из вещества протопланетного диска. В областях звездообразования наблюдается аккреция дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также аккреция межгалактического вещества на галактики.
Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный тяготеющий центр может происходить либо в слабостолкновительном режиме, когда длина пробега частиц велика и между редкими столкновениями частицы движутся согласно законам классической механики Ньютона по гиперболическим, параболическим или эллиптическим траекториям, либо в режиме частых столкновений частиц, когда процесс аккреции описывается стандартными уравнениями газовой динамики.
В первом случае скорость увеличения массы тяготеющего центра зависит от его размеров – захватываются частицы, перицентр орбит которых меньше радиуса этого центра. На некотором расстоянии от центра присутствуют как частицы, летящие в сторону центра (в большем количестве), так и частицы, обогнувшие центр и летящие от него (в меньшем количестве). В результате бомбардировки поверхности центра кинетическая энергия частиц переходит в теплоту с последующим высвечиванием. Вблизи аккрецирующих нейтронных звёзд и особенно чёрных дыр, где всемирное тяготение существенно неньютоново, вид траекторий частиц усложняется. В сильных гравитационных полях чёрных дыр появляется новый тип движения частиц – гравитационный захват частиц, траектория которых начинается с конечным прицельным расстоянием на бесконечности и заканчивается в чёрной дыре. Частицы проникают внутрь горизонта чёрной дыры без какого-либо энерговыделения. Из-за релятивистского эффекта замедления течения времени в сильных гравитационных полях удалённый наблюдатель никогда не увидит момент пересечения горизонта чёрной дыры падающими частицами. Последнее имеет место в любом режиме аккреции вещества на чёрную дыру даже с учётом возрастания её массы.
Во втором случае устанавливается режим стационарной сферически симметричной газодинамической аккреции, при котором скорость увеличения массы тяготеющего центра на много порядков больше, чем в предыдущем режиме, и никак не зависит от размеров центра. Покоящийся на большом расстоянии газ ускоряется по мере приближения к тяготеющему центру его гравитационным полем так, что вблизи него газ падает вдоль радиуса с ускорением, близким к ускорению свободного падения. По мере приближения к центру газ уплотняется, растёт его температура, включаются механизмы относительно слабого теплового излучения горячего газа (плазмы) как в непрерывном спектре, так и в спектральных линиях отдельных химических элементов. При встрече газа с поверхностью компактного объекта вокруг него возникает сильная ударная волна, в которой и происходит высвечивание всей кинетической энергии падающего вещества. Скорость свободного падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд уже сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при встрече вещества с поверхностью нейтронной звезды в десятки раз превышает энерговыделение, имеющее место в ядерных реакциях. Если компактный объект (нейтронная звезда или белый карлик) имеет достаточно сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток сначала тормозится на некотором характерном расстоянии от объекта, равном радиусу Альвена, где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате развития гидродинамической неустойчивости типа Рэлея – Тейлора происходит проникновение вещества в магнитное поле с последующим падением вдоль магнитных силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется вся энергия. Если компактный объект вращается и ось вращения не совпадает с осью диполя, то аккрецирующий объект будет наблюдаться как пульсар.
Чёрная дыра не имеет реальной поверхности, и радиально падающее вещество свободно проникает внутрь её горизонта событий. Вблизи вращающейся чёрной дыры под влиянием вихревой компоненты гравитационного поля вещество отклоняется в своём движении в сторону вращения чёрной дыры.
Картина сферически симметричной аккреции существенно усложняется, если в падающем сильно ионизованном газе присутствует магнитное поле. Радиальная компонента магнитного поля в процессе аккреции возрастает столь сильно, что эффективная сила со стороны магнитного поля (сила Лоренца) начинает тормозить падающее вещество. При наличии переменного магнитного поля возможны: а) механизмы ускорения заряженных частиц индукционным электрическим полем с последующим синхротронным высвечиванием энергии в магнитном поле; б) процессы диссипации энергии магнитного поля в токовых слоях с перезамыканием магнитных силовых линий. Аккрецируемый поток становится неоднородным и иррегулярным. Имеет место вспышечное спорадическое энерговыделение с характерными временами порядка времени свободного падения с данного радиуса. Мощность отдельных вспышек возрастает по мере приближения к гравитирующему центру. Эффективность энерговыделения квазисферической аккреции на чёрную дыру при наличии в падающем потоке магнитного поля может достигать 20–30% от энергии покоя аккрецируемого вещества.
При сверхзвуковом движении тяготеющего центра относительно газового облака возникает лобовая (впереди), переходящая в конусоподобную (позади) аксиально симметричная ударная волна. Положение и расстояние ударной волны от оси симметрии определяется излучательной способностью газа, испытавшего торможение в момент пересечения фронта ударной волны. Бóльшая часть газа после прохождения фронта вдали от тяготеющего центра уходит от него, меньшая часть захватывается гравитационным центром и падает на него. Характерное расстояние (радиус захвата), отделяющее один поток от другого, пропорционально массе центра и обратно пропорционально квадрату относительной скорости движения. По мере приближения к гравитирующему центру происходит сферизация аккрецируемого потока.
Наличие у аккрецируемого вещества большого удельного момента импульса препятствует прямому падению вещества на тяготеющий центр. В этом случае вокруг последнего начинает формироваться дифференциально вращающаяся дискообразная структура – аккреционный диск. В тесных двойных звёздных системах такие структуры появляются, когда один из компонентов (более массивный) в результате эволюции начинает медленно расширяться. Размеры звёзд в тесных двойных системах ограничены соответствующей критической полостью Роша, после заполнения которой начинается интенсивный процесс перетекания вещества с поверхности этой звезды в сторону второго компонента (рис.) преимущественно через внутреннюю точку Лагранжа. Из-за относительного движения компонентов системы вокруг общего центра масс перетекающее вещество обладает значительным моментом импульса относительно второго компонента, что и приводит к формированию вокруг неё дискообразной структуры, внешний радиус которой сравним с размерами критической полости Роша второй звезды. Направление вращения этой структуры совпадает с направлением вращения системы. Образование диска в тесных двойных системах, вторым компонентом которой является компактный тяготеющий центр (чёрная дыра, нейтронная звезда или белый карлик), также возможно в том случае, когда первый компонент (обычная звезда) не заполняет свою полость Роша и с его поверхности дует звёздный ветер практически одинаково во всех направлениях. Часть звёздного ветра, испытывая тяготение со стороны компактного объекта, проходит через ударную (вращающуюся синхронно с орбитальным движением) волну, теряя часть своей кинетической энергии. Только небольшая часть газа (внутри радиуса захвата), прошедшего сквозь ударную волну, захватывается гравитационным полем компактного объекта и падает на него. Аккрецируемое вещество в этом случае также может обладать моментом импульса, что приводит к формированию диска относительно небольших размеров (мини-диска) вокруг компактного объекта. Если звёздный ветер однороден, то направление вращения такого диска совпадает с направлением вращения двойной системы. Однако при наличии неоднородностей в потоке звёздного ветра вокруг компактного объекта могут формироваться мини диски и с направлением вращения, противоположным орбитальному.
В первом приближении вещество в диске вращается по круговым кеплеровым орбитам. В направлении, перпендикулярном плоскости симметрии диска, имеет место гидростатическое равновесие, при котором градиент давления уравновешен соответствующей этому направлению компонентой силы тяжести. Относительно медленное радиальное движение – дисковая аккреция – возможна только при наличии в дифференциально вращающемся кеплеровом диске эффективных механизмов вязкости, создаваемых турбулентностью и магнитными полями, которые приводят к обмену моментом импульса между соседними слоями диска. Внутренние части аккреционного диска, отдавая свой момент импульса более удалённым частям, медленно приближаются к гравитирующему центру, естественно ускоряясь в круговом вращении. Процесс дисковой аккреции носит диффузионный характер с характерным временем «падения», пропорциональным квадрату расстояния до тяготеющего центра и обратно пропорциональным эффективному коэффициенту кинематической вязкости. Этот процесс сопровождается выделением гравитационной энергии, бóльшая часть которой выделяется вблизи внутреннего края аккреционного диска. Часть этой энергии переходит в кинетическую энергию кеплерового вращения, другая часть превращается в тепловую энергию хаотического движения частиц.
В аккреционном диске, непрозрачном для электромагнитного излучения (оптически толстом), имеет место диффузионный перенос тепловой энергии фотонами в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, с последующим излучением этой энергии с поверхности диска. Излучательная способность оптически толстого диска столь велика, что энергия, выделяемая в виде теплоты на данном радиусе, необычайно быстро (по сравнению со временем радиального движения вещества) диффундирует к его поверхности, где и излучается. Обычно такой диск является геометрически тонким. Полная светимость оптически толстого аккреционного диска равна произведению темпа аккреции вещества на энергию связи частиц на внутреннем крае диска. При дисковой аккреции на обычную звезду конечных размеров внутренний край диска совпадает с её радиусом. Если звезда вращается достаточно медленно по сравнению с кеплеровым вращением вблизи её поверхности, то между внутренним краем диска и поверхностью звезды возникает относительно узкий пограничный слой, в котором имеет место торможение вещества с дополнительным выделением энергии. Процесс дисковой аккреции медленно ускоряет вращение звезды.
Внутренний край диска при дисковой аккреции на чёрную дыру совпадает с радиусом последней устойчивой круговой орбиты, после достижения которой вещество падает дальше на чёрную дыру по спирали с сохранением момента импульса и без заметного энерговыделения. Температура поверхности оптически толстого аккреционного диска вокруг чёрной дыры недалеко от его внутреннего края в области максимального энерговыделения достигает десятков миллионов кельвин, что приводит к мощному излучению энергии в рентгеновском диапазоне спектра. В более удалённых областях энерговыделение существенно меньше, температура гораздо меньше, и эти области могут излучать в зависимости от величины внешнего радиуса диска как в оптическом, так и в более длинноволновом диапазоне. В зависимости от принятого уравнения состояния радиус нейтронной звезды может оказаться как больше радиуса последней устойчивой орбиты («жёсткое» уравнение), так и меньше («мягкое» уравнение). При дисковой аккреции на нейтронную звезду без сильного магнитного поля в первом случае вблизи её поверхности формируется пограничный слой, а во втором – появляется узкий зазор между внутренним краем аккреционного диска и поверхностью звезды, в котором частицы падают по спирали с последующим энерговыделением при столкновении с поверхностью нейтронной звезды. Во многих случаях аккрецирующие нейтронные звёзды обладают необычайно сильными магнитными полями, которые разрушают аккреционные диски на больших расстояниях от их поверхности (порядка 100 радиусов нейтронной звезды). Проникая в магнитное поле, вещество падает далее вдоль магнитных силовых линий в область магнитных полюсов нейтронной звезды, где и происходит выделение энергии преимущественно в рентгеновском диапазоне. Качественно похожим образом протекает дисковая аккреция и на замагниченные белые карлики.
Полная светимость аккрецирующих объектов не должна превышать предельного значения, при котором давление излучения уравновешено силой гравитационного притяжения (так называемая эддингтоновская светимость). Соответственно существует критический темп дисковой аккреции, при превышении которого из внутренних областей диска начинается отток вещества под действием давления излучения.
В ряде случаев аккреционный диск (или какая-либо его часть) может оказаться прозрачным (оптически тонким) относительно процессов поглощения излучения. Излучательная способность оптически тонкого диска весьма незначительна, и в результате процессов нагрева температура вещества на данном радиусе увеличивается настолько, что толщина диска становится сравнимой с его радиальным размером. Аккреция в таких дисках имеет место с незначительным выделением энергии в виде электромагнитного излучения. Тепловая энергия переносится к тяготеющему центру усреднённым радиальным движением, в силу чего такие диски называются адвекционно-аккреционными. Сильный нагрев адвекционно-аккреционного диска приводит к интенсивному оттоку вещества с его поверхности в виде звёздного ветра.
Во многих случаях наблюдаются так называемые джеты (от англ. jet – струя) – направленные струйные выбросы из центральных областей аккреционного диска, часто неоднородные. Такие джеты сопровождают аккрецию в различных масштабах – от протопланетных дисков вокруг формирующихся звёзд до гигантских дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр в квазарах. Наличие в аккреционных дисках упорядоченного магнитного поля способствует появлению этих выбросов.
Литература статьи Большой российской энциклопедии[править | править код]
Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звёзд. М., 1971. Шакура Н. И. и др. Аккреционные процессы в астрофизике. М., 2016. Шапиро С., Тьюколски С. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды: В 2 ч. М., 1985.