Дисковая аккреция. Бывают ли плоские звёзды? Теория дисковой аккреции

Р. А. Сюняев, академик РАН, директор Института астрофизики Общества Макса Планка, гл. науч. сотр. ИКИ РАН

Не знаю почему, но, когда спрашивают о ком-нибудь из моих друзей или хороших знакомых, этот человек встает у меня перед глазами таким, каким я его встретил в первый раз или в момент, когда он произвел на меня самое большое впечатление. И Николая Ивановича (Колю) Шакуру я и сейчас вижу студентом, приехавшим из белорусской деревни, с горящими глазами, быстрым и в движениях, и в ответах на любой вопрос (ведь не зря в те времена он бегал стометровку, участвуя в первенстве МГУ). Помню его в общежитии МГУ со старшим сыном (который давно уже сам отец) на руках, помню наши споры в начале 1970-х, когда мы интенсивно работали вместе и писали статьи, которыми гордимся до сих пор, наши встречи в его первой своей комнате (выбитой Яковом Борисовичем Зельдовичем одновременно с пропиской в Москве) в коммунальной квартире в доме преподавателей МГУ напротив кинотеатра «Прогресс», которого давно нет. Чайники чая, выпитые попеременно у него и у меня сначала в комнатке на Профсоюзной, а потом уже в кооперативе на Юго-Западной, долгие ночные звонки. Помню Колю на вершине вулкана Этна и выступающим на знаменитом семинаре под руководством Зельдовича, В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского в ГАИШ при МГУ. Помнится и то, как ЯБ (Зельдович) сказал мне, что у него в ГАИШ появился новый студент и что было бы неплохо, если бы мы поработали вместе. ЯБ очень интересовала теория аккреции на черные дыры и нейтронные звезды, и до конца его жизни лучшим собеседником по этой теме был для него дипломник, потом аспирант и сотрудник Н. И. Шакура. Замечательно, что Коля и сейчас руководит отделом релятивистской астрофизики ГАИШ, который основал и которым многие годы руководил ЯБ.

Мне нравится фото с Колей у доски в конференц-зале ГАИШ, сделанное почти 40 лет назад в 1970-е годы, когда мы много работали вместе. Этот снимок напоминает годы, когда у нас с Колей были интересные результаты, но не было ни времени, ни денег на регулярное посещение парикмахерской.
Работа в тандеме. Н. И. Шакура и Р. А. Сюняев, 1979 год.
Фото из архива фотолаборатории ГАИШ МГУ

Студент Н. И. Шакура (1964). Из семейного архива Коле, как и большинству учеников ЯБ в области космологии и релятивистской астрофизики, необычайно сильно повезло. Он встретился с ЯБ (бесспорно, одним из наиболее ярких физиков, решивших после успешной работы над оружием начать работать в астрофизике, далекой от каких-либо земных приложений) в эпоху «штурма и натиска» в этой науке, когда буквально каждый год приносил грандиозные по своим следствиям наблюдательные открытия. А Коле удалось то, что удается мало кому: он является автором «Стандартной теории дисковой аккреции на черные дыры и нейтронные звезды», самой цитируемой статьи в мировой теоретической астрофизике (в последние годы более чем по ссылке в день), подробно изложенной в десятках обзоров, книг и учебников. Последние годы более трети ссылок на эту работу приходится на статьи по протопланетным дискам в молодых звездных системах. А за спиной у Коли первая в мире и широко цитируемая модель сферической аккреции газа на нейтронную звезду со слабым магнитным полем (написанная совместно с ЯБ ), статья о тепловой неустойчивости радиационно-доминированных аккреционных дисков ; публикация идей оттока вещества от аккреционных дисков со сверхэддингтоновской светимостью, наблюдаемой сейчас во многих квазарах, и прогрева внешних областей дисков жестким излучением его центральной зоны, столь ярко проявляющего себя в дисках вокруг молодых звезд; и многое, многое другое.

70 лет — это серьезный порог. Но мир науки знает немало людей, которые оставались продуктивными и после 70. Меня радует, что Коля в последние годы написал в соавторстве с К. А. Постновым, П. К. Аболмасовым и другими еще более молодыми коллегами ряд красивейших работ по теории аккреции и интерпретации наблюдательных данных. Эти работы уже признаны и широко цитируются. Мне хочется пожелать Коле продолжать активно работать, выступать на конференциях с новыми идеями и блестящими обзорами и продолжать приводить в изумление молодых студентов и студенток, считающих, что «динозавры» с таким гигантским вкладом в науку, как у Николая Ивановича, могли существовать только в далеком прошлом.
докт. физ.-мат. наук, гл. науч. сотр. ИКИ РАН

Вскоре после поступления в аспирантуру мой шеф, Я. Б. Зельдович, велел прийти на его лекцию по астрофизике, курс которой он читал на физфаке МГУ. После лекции слушались отчеты студентов о проделанной работе, слушать которые ЯБ тоже меня оставил. Там я впервые увидел Колю Шакуру, который толково что-то рассказывал, в то время как остальные студенты мямлили довольно невразумительно.

В 1967 году на съезде Международного астрономического союза в Праге ЯБ рассказывал об исследовании про аккрецию на нейтронную звезду, которую они делали вместе с Колей, о падении вещества на нейтронную звезду без магнитного поля. По возвращении домой я предложил Алику Фридману рассмотреть аналогичную задачу при наличии сильного магнитного поля нейтронной звезды. Там нужно было учитывать различные плазменные эффекты, которыми занимался Алик. К концу 1967 года работа вчерне была закончена, я рассказал про нее ЯБ, который воспринял это без энтузиазма. Он велел нам обосновать некоторые утверждения, кроме того, холодно отнесся к идее сильного магнитного поля нейтронной звезды. Всё это остудило наш пыл, и работа была отставлена. Весной 1968 года было объявлено об открытии пульсаров, и ЯБ сразу велел работу публиковать в первоначальном виде. Интересно, что наша статья поступила в редакцию «Астрономического журнала» 19 августа 1968 года, одновременно со статьей ЯБ и Коли об аккреции на звезду без магнитного поля . После блестящей защиты диплома Коля поступил в аспирантуру, где под руководством ЯБ занялся теорией дисковой аккреции вещества с большим угловым моментом на черные дыры. Дисковая аккреция рассматривалась раньше в связи с образованием планет, а в работе Д. Линден-Белла в 1969 году была предложена модель квазара, или ядра активной галактики, в виде сверхмассивной черной дыры с аккреционным диском. Тогда эта модель была пионерской, а сейчас стала общепринятой, подтвержденной наблюдениями.

Основная трудность модели заключалась в необходимости учета турбулентной вязкости, которая нужна для создания потока вещества в черную дыру для поддержки наблюдаемой светимости. В работе Коли, опубликованной в «Астрономическом журнале» в 1972 году и посланной в печать годом раньше, впервые была предложена простая феноменологическая формула для главной компоненты вязких натяжений, которая определяет поток массы из аккреционного диска в черную дыру:

t rφ = α P , (1)

где Р — давление, а α — численный коэффициент меньше единицы, оцениваемый из наблюдений. Простота и наглядность этой формулы сделали ее очень популярной во всех областях астрофизики, где встречаются аккреционные диски, в протопланетных и двойных системах, в ядрах галактик.

Однако огромное число ссылок на эту формулу приходится не на оригинальную работу в «Астрономическом журнале», а на последующую статью Шакуры совместно с Р. А. Сюняевым, опубликованную в 1973 году в европейском журнале Astronomy and Astrophysics . Помимо очевидно большей популярности этого журнала по сравнению с «Астрономическим журналом», в этой статье теория аккреции изложена гораздо подробнее и доступнее. Кроме того, в ней содержится больше астрофизических приложений. Работа над статьей 1973 года потребовала от Коли огромного напряжения сил. Я помню, как он совершенно измотанный приходил к нам в комнату в Институте прикладной математики и сидел с отрешенным взглядом без слов и движений. Такое поведение было для меня довольно загадочным, так как работа над этой статьей проводилась без обсуждений на семинарах. Видимо, ЯБ был одним из немногих, а может быть, единственным человеком, который был в курсе этой работы, и, как всегда, давал ценные советы, замечания и указания.

Следует отметить, что уже в статье Линден-Белла 1969 года можно найти неявные следы этой формулы (1). Линден-Белл предполагал, что вязкость определяется хаотическим магнитным полем, которое в условиях используемого им равнораспределения тепловой и магнитной энергии как раз сводится к формуле (1). В работе Прингла и Риса 1972 года рассматривалось несколько другое феноменологическое описание турбулентной вязкости, которое не обладало простотой и наглядностью формулы (1) и потому не получило распространения.

У меня с Колей вышло несколько работ, которые сами по себе, может, и неплохие, но не идут ни в какое сравнение с формулой (1), которую по праву можно считать основной феноменологической формулой в теории дисковой аккреции. А. М. Черепащук, академик РАН, директор ГАИШ МГУ

С Колей Шакурой мы учились вместе на астрономическом отделении физфака МГУ. Когда я был уже аспирантом, Коля (под руководством академика Я. Б. Зельдовича) завершал свою дипломную работу, посвященную расчету рентгеновского спектра при сферической аккреции вещества на одиночную нейтронную звезду без магнитного поля. Эта работа была опубликована им совместно с Я. Б. Зельдовичем в «Астрономическом журнале» в 1969 году . Фото О. С. Бартунова Позднее, уже будучи аспирантом, Коля опубликовал, также в «Астрономическом журнале», свою первую работу по дисковой аккреции вещества на релятивистский объект в тесной двойной системе . Я был свидетелем того, как Коля просиживал многие дни и недели в библиотеке ГАИШ, испытывая «муки творчества» при выполнении этой замечательной работы и написании соответствующей статьи. Затем последовала публикация ныне знаменитой статьи Н. И. Шакуры и Р. А. Сюняева по дисковой аккреции на черные дыры, где были учтены эффекты комптонизации спектра рентгеновского излучения и построена модель сверхкритической аккреции . Выход этой работы совпал по времени с началом систематических рентгеновских наблюдений неба с борта американской орбитальной специализированной рентгеновской обсерватории UHURU. Благодаря работе Н. И. Шакуры и Р. А. Сюняева природу открытых этой обсерваторией многочисленных компактных рентгеновских источников удалось быстро понять. Был сделан вывод об открытии рентгеновских двойных систем, состоящих из нормальной оптической звезды и аккрецирующего релятивистского объекта. В 1972 году в международном экспресс-издании IBVS была опубликована статья группы авторов (А. М. Че-репащук, Ю.Н. Ефремов, Н. Е. Курочкин, Н. И. Шакура, Р. А. Сюняев) , посвященная интерпретации оптической переменности одной из первых открытых затменных рентгеновских двойных систем — системы HZ Геркулеса. Опираясь на выводы теории дисковой аккреции, авторы показали, что главная причина оптической переменности этой системы — эффект отражения, точнее, эффект прогрева поверхности оптической звезды мощным рентгеновским излучением аккрецирующей нейтронной звезды. Сейчас исследование оптических проявлений рентгеновских двойных систем выросло в отдельное направление астрофизики, где получен ряд важных результатов. В частности, измерены массы около трех десятков звездных черных дыр.

В настоящее время Н. И. Шакура возглавляет созданный в ГАИШ по инициативе Я. Б. Зельдовича отдел релятивистской астрофизики. Институт гордится наличием в своем составе такого блестящего ученого. Я очень дорожу многолетней дружбой с Колей и сердечно поздравляю его с 70-летием.

1. Шакура Н. И., Сюняев Р. А. Black holes in binary systems. Observational appearance // Astronomy and Astrophysics, 1973. V. 24. P. 337−355.

2. Зельдович Я. Б., Шакура Н. И. Рентгеновское излучение при аккреции газа на нейтронную звезду // Астрономический журнал, 1969. Т. 46. С. 225−236.

3. Шакура Н. И., Сюняев Р. А. A theory of the instability of disk accretion on to black holes and the variability of binary X-ray sources, galactic nuclei and quasars // MNRAS, 1976. V. 175. P. 613−632.

4. Бисноватый-Коган Г. С., Фридман А. М. О механизме рентгеновского излучения нейтронной звезды // Астрономический журнал, 1969. Т. 46. С. 721−724.

5. Lynden-Bell D. Galactic Nuclei as Collapsed Old Quasars // Nature, 1969. V. 223. P. 690−694.

6. Шакура Н. И. Дисковая модель аккреции газа релятивистской звездой в тесной двойной системе, Астрономический журнал, 1972. Т. 49. С. 921−929.

7. Pringle J. E., Rees M. J. Accretion Disc Models for Compact X-Ray Sources, Astronomy and Astrophysics, 1972. V. 21. P. 1−9.

8. Cherepashchuk A. M., Efremov Yu. N., Kurochkin N. E., Shakura N. I., Sunyaev R. A. On the Nature of the Optical Variations of HZ Her = Her X1 // Information Bulletin on Variable Stars, 1972. V. 720. P. 1.

За работу над фотографиями выражаем благодарность
Т. А. Бируле и О. С. Бартунову

Академик Яков Зельдович, 1964 год. Фото: Евгений Кассин / фотохроника ТАСС

Был человек, который определил наше развитие с Рашидом Сюняевым. Это Яков Борисович Зельдович - академик, трижды Герой Социалистического Tруда.

В середине 60-х годов Яков Борисович получил возможность работать в Московском университете. По-моему, это был 1966 год, когда в нашем расписании появилась фамилия Зельдович. «Строение и эволюция звезд» - так назывался его курс. Я пошел на его первую лекцию. Кто хотел писать у него курсовые работы, остались после лекции. Дошла очередь до меня - такие вещи забыть невозможно, и он спросил, был ли я на его семинаре днем ранее. А у него два раза в неделю был Объединенный астрофизический семинар (ОАС) тут, в ГАИШе. Там докладывались самые интересные открытия.

На одном семинаре был рассказ про рентгеновские источники - их природа тогда была неизвестна. Я был на том семинаре. И Зельдович дает мне задачу: вот есть нейтронная звезда с радиусом 10 км, на ее поверхность падает вещество, вблизи поверхности возникает мощная ударная волна с очень высокими температурами. Эта волна должна излучать в рентгене. «Рассчитайте структуру и спектр излучения от этой ударной волны…» И я начал это считать.

Только спустя пару недель я узнал, что это задача по аккреции газа нейтронной звезды. Я тогда впервые услышал слово «аккреция». Я думал, меня разыгрывают, потому что вначале академик Зельдович этот термин не употреблял. Я нашел в словаре латинских слов accretio - увеличение чего-либо, приращение чего-либо. Задачу я потом решил.

- То есть ваше знакомство с академиком Зельдовичем и началось с аккреции?

Да, получается, что так. Два человека сыграли очень большую роль в начале нашей деятельности по аккреции. Это Зельдович Яков Борисович и Мартынов Дмитрий Яковлевич , директор нашего института ГАИШ, - он читал лекции по курсу общей астрофизики. И рассказывал про тесные двойные звезды, где есть перетекание вещества с одной на другую. Я тогда подумал: «А что если нам вместо второй звезды поставить черную дыру?» Газа, который истекает со второй компоненты, полно. Из-за движения этой двойной звездной системы формируется кольцо вокруг черной дыры, оно расплывается в диск.

За работу с академиком Рашидом Сюняевым вы получили Госпремию по науке. Расскажите, пожалуйста, о ней подробнее.

Наша работа с Рашидом Сюняевым была выполнена 40 с небольшим лет назад. Конец 60-х - начало 70-х годов - это было замечательное время для астрономии: были открыты такие объекты, как нейтронные звезды, черные дыры в двойных звездных системах.

Рентгеновские лучи не проходят сквозь земную атмосферу, поэтому наблюдения в рентгеновском спектре можно проводить только вне атмосферы Земли. В середине 60-х годов группа американских ученых, возглавляемая Риккардо Джаккони , поставила на ракету рентгеновские счетчики и запустила ее выше земной атмосферы. Они надеялись открыть рентгеновское излучение от Луны, но открыли какие-то загадочные источники, которые находились далеко от Солнечной системы. В те времена наш научный руководитель академик Зельдович и предложил нам заняться изучением природы этих рентгеновских источников.

В начале 70-х годов группой профессора Джаккони был запущен специальный рентгеновский спутник, чтобы изучать эти объекты. Было обнаружено, что эти рентгеновские источники входят в состав двойных звездных систем, где помимо рентгеновского источника есть обычная оптическая звезда. Она теряет вещество, вещество падает на компактный объект, вокруг него образуется то, что мы сейчас называем аккреционным диском. И начинается процесс дисковой аккреции, в результате которого вещество в диске, быстро вращаясь, как спутник вокруг тяготеющего центра, по мере потери момента медленно оседает на этот источник. Образуется диск, диск излучает энергию. Большая часть этой энергии излучается в рентгеновском диапазоне спектра внутренними частями диска, близкими к компактному объекту. Это были результаты наших расчетов. Наша была опубликована в 1973 году.

Так получилось, что работа оказалась очень фундаментальной и цитируется уже много лет. На эту работу мы сейчас насчитываем более восьми тысяч ссылок в научной литературе.

Насколько я понимаю, эта область в то время интересовала многих астрофизиков. А ваша работа дала самое простое и красивое объяснение.

Да, самое простое и элегантное. В 60-х годах были открыты рентгеновские источники, изучение неба в рентгеновском диапазоне до спутника «Ухуру » (Uhuru) шло так: на ракеты ставили приборы, они взлетали выше земной атмосферы, в течение десятка минут что-то измерялась.

Время шло, и в 1967 году были открыты радиопульсары. Это открытие сделала группа ученых под руководством Энтони Хьюиша в Англии, решающую роль сыграла Джоселин Белл . И большая часть людей, которая занимается астрофизикой черных дыр и нейтронных звезд, переключились на исследование пульсаров - это нейтронные звезды, которые излучают радиоизлучение в узком конусе, звезда вращается, и получается радиопульсар. На некоторое время радиопульсары затмили все. Но мы продолжили заниматься аккреционными нейтронными звездами, черными дырами в двойных системах.

Первое время радиопульсары были одиночными. Гораздо позже, в 1975 году, Тейлор и Халс обнаружат радиопульсар в двойной системе. Однако несколько раньше, в начале 70-годов, пришло время спутника «Ухуру», который открыл аккрецирующие нейтронные звезды в рентгеновском диапазоне. Есть радиопульсары, они медленно замедляются со временем, источником наблюдаемой активности у них является энергия вращения. А есть другой тип нейтронных звезд - это аккреционные рентгеновские пульсары в двойных звездных системах. Именно их и открыл «Ухуру». Там есть диск, есть нейтронная звезда с сильным магнитным полем. Где-то на ста радиусах нейтронной звезды магнитное поле разрушает диск, вещество с диска начинает падать по магнитным силовым линиям на нейтронную звезду в область полюсов. На нейтронной звезде горячие полюсы, она вращается, и мы опять получаем пульсар, но уже в рентгеновском диапазоне спектра. Эти нейтронные звезды светят за счет выделения гравитационной энергии .

А если там черная дыра, то диск, который мы рассчитали, существует до радиуса последней устойчивой орбиты: гравитационное поле черной дыры настолько сильное, что начиная с некоего расстояния частицы начинают падать по радиусу на черную дыру.

- Ваша работа до сих пор находит применение в других областях астрофизики. Почему?

Есть аккреционные диски вокруг черных дыр, нейтронных звезд, есть аккреционные диски вокруг белых карликов в двойных звездных системах, или вокруг обычных звезд в двойных звездных системах. И те расчеты, которые мы проделали, годятся для самых разных ситуаций. В последнее время открыто огромное множество протопланетных дисков , к которым тоже применима наша теория.

В ядрах активных галактик и квазарах существуют самые интригующие объекты - сверхмассивные с массой в десятки сотни миллионов и даже до миллиарда масс Солнца. И там тоже имеет место дисковая аккреция.

Некоторое время назад в центре нашей Галактики была открыта черная дыра. Она оказалась миллион с небольшим масс Солнца. Там тоже имеют место процессы аккреции. Но там, возможно, не такой сплошной диск, а на черную дыру падают газовые облака.

- Вы сейчас работаете над этим?

Мы с молодежью работаем над самой важной проблемой, которая решается в последние годы, - как в этом аккреционном диске вещество отдает свой момент количества движения и постепенно падает на этот аккрецирующий центр. В этом диске должна существовать некая вязкость, в результате чего и происходит аккреция. Если там обычная, ионная, атомная вязкость, то она очень маленькая. Мы ввели турбулентную вязкость и вязкость, связанную с магнитными полями. Сейчас мы и изучаем вопрос о природе турбулентной вязкости в аккреционных дисках.

Есть стандартные диски Шакуры - Сюняева, которые еще называют альфа-дисками. В этой теории существует безразмерный альфа-параметр, который характеризует как турбулентность в диске, так и хаотические магнитные поля. Альфа-параметр представляет собой отношение вязких сил трения к силам давления. Этот параметр альфа не больше 1, но больше 0. Когда он порядка 1, то турбулентные скорости, которые возникают в этом диске, становятся околозвуковыми, появляются ударные волны. Мои молодые коллеги - кандидат физико-математических наук Липунова Галина и совсем молодой аспирант Маланчев Константин, который вот-вот будет защищать кандидатскую диссертацию, - создали программы, которые рассчитывают нестационарные аккреционные диски.

Помимо стационарных рентгеновских источников, сейчас известны рентгеновские новые звезды . Это источники, которые появляются на небе, светят ярко пару недель, а потом их блеск спадает. По характеристикам спадания блеска можно определить, чему равен параметр альфа в этих аккреционных дисках. И он оказывается 0,3−0,5, он не такой маленький. Там турбулентность близка к околозвуковой.

- А какими еще областями в астрономии, кроме аккреции, вы занимаетесь?

Астрономия очень интересная и богатая наука. Там есть самые разные объекты, самые разные звезды. Например, у меня была такая работа. Меркурий по орбите движется чуть-чуть не так, как это предсказывает классическая теория тяготения Ньютона. Там есть движение линии апсид , орбита эксцентричная, и большая ось эллипса испытывает некоторое дополнительное движение, которое невозможно было объяснить, оставаясь в рамках классической ньютоновской теории тяготения. Но теория относительности Эйнштейна сумела объяснить эти дополнительные 40 секунд в столетие.

Есть двойные звезды на эксцентричных орбитах, которые тоже испытывают апсидальное движение, то есть движение большой оси эллипса. Многие наблюдатели проверяют эффекты теории относительности в таких системах. Оказалось, что существует такая двойная система DI Геркулеса, где апсидальное движение не объясняется. Часть этого движения связана с тем, что центральные звезды - это не точки, масса в этих звездах распределена. Закон тяготения отличается от чисто ньютоновского, потому что каждая из звезд деформирована как собственным вращением, так и взаимными приливами. Дополнительный вклад в апсидальное движение дают эффекты общей теории относительности. Обычно при расчетах эффектов апсидального движения предполагают, что векторы моментов вращения каждого из компонентов параллельны орбитальному вектору вращения. И это так у большинства систем. Однако после некоторых размышлений вектор вращения одной из этих звезд DI Геркулеса я уложил в орбитальную плоскость. При такой конфигурации классическая теория дает уже другие цифры, и в этом случае все можно объяснить, оставаясь в рамках общей теории относительности. Вот такая была работа .

В результате прецизионных спектральных наблюдений DI Геркулеса, которые были проведены позже, такая конфигурация подтвердилась.

- Вы сказали, что 60-е годы были прекрасным временем. А сейчас?

Да, для нас 60-70-е годы XX века - это золотой век астрофизики. Тогда ведь тоже были прекрасные люди, которые совершили открытия до нас. Когда мы начинали работать, нам казалось, что наша работа - самая важная. А теперь открытия, которые останутся на века, будет делать молодежь.

- А кого из молодых российских астрономов можете выделить?

Очень много наших молодых людей работают за границей: в США, Германии, Англии. Но они не теряют с нами связь. Мой соавтор, академик Рашид Алиевич - заведующий лабораторией в Институте космических исследований РАН, и одновременно он работает одним из трех директоров института астрофизики Макса Планка в Германии. Там много наших молодых людей. Они некоторое время работают там, некоторое время - тут.

- Какая область астрофизики сейчас интересует вас больше всего?

О, можно только завидовать ученым сейчас. Это открытие гравитационных волн, которое сделали американские ученые из LIGO. Первые случаи были открыты в сентябре 2015 года, к концу 2015 года было обнаружено уже три случая слияния черных дыр. В январе этого года была открыта еще одна пара сливающихся черных дыр. Слияние происходит очень быстро, от него идет поток гравитационных волн, который и измеряется высокоточными интерферометрами. Черные дыры, открытые в процессе слияния, оказались несколько массивнее тех черных дыр, которые изучают по их рентгеновскому излучению от аккреционных дисков в двойных звездных системах. Массы последних примерно 5-15 масс Солнца. По-моему, уже 22 такие черные дыры в двойных звездных системах открыли.

А по характеристикам гравитационно-волнового импульса можно оценить и массы, и собственно вращение этих черных дыр. И масса каждой из них оказалась от 20 до 30 масс Солнца. Интересно, как же они образовались в далеком прошлом, почему они оказались более массивными. Один из вариантов звездной эволюции с образованием таких массивных черных дыр содержится в работе российских ученых, профессора Константина Постнова и кандидата физико-математических наук Александра Куранова, которая вышла буквально несколько дней назад.

Ожидается, что будет открыто слияние двух нейтронных звезд. Возможно, слияние нейтронной звезды и черной дыры, но это в будущем.

А вторая интересная область - это наша Вселенная в целом, космология. Там открыта темная материя, которая как-то распределена в скоплениях галактик, а есть еще темная энергия. И плотность этой темной энергии больше всего: если суммарную плотность вещества во Вселенной взять за 1, то на темную энергию приходится 0,7. Это тоже интересно.

Еще интересное открытие - ускоренное расширение Вселенной. Раньше считалось, что из-за гравитации темп расширения со временем замедляется. А сейчас оказалось, что расширение нашей Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это явление называется инфляцией. Она была характерна для ранних стадий Вселенной, и вот теперь опять мы выходим на режим ускоренного расширения Вселенной. Природа этого режима успешно исследуется в трудах российского академика Алексея Старобинского.

Планеты - тоже интересно, потому что открыто несколько планет с массой порядка массы Земли. И они существуют в зоне, где возможна жизнь, как на нашей Земле.

Почти 50 лет назад открытия были колоссальные: нейтронные звезды, черные дыры, реликтовое излучение. Тогда его открыли, а сейчас изучают распределение его флуктуаций по небу. Само реликтовое излучение имеет температуру 2,7 градуса Кельвина, а флуктуации - 10 и даже меньше микрокельвинов. И по этим флуктуациям люди изучают историю нашей Вселенной, ее расширения. В те далекие 70-е годы Рашидом Сюняевым и академиком Яковом Зельдовичем был предсказан эффект, названный их именем (эффект Сюняева - Зельдовича). Суть эффекта состоит в том, что спектр реликтового излучения слегка деформируется в результате рассеяния фотонов реликта на электронах очень горячего газа, который содержится в большом количестве в скоплениях галактик. Нынче этот эффект открыт и успешно наблюдается радиотелескопами всего мира. Величина эффекта дает важную информацию о параметрах нашей расширяющейся Вселенной.

Николай Иванович, вы всю жизнь посвятили изучению космоса. А побывать там никогда не хотели? Не завидовали космонавтам?

Я был в 9-м классе, когда Гагарин полетел. И, конечно, были мечты, что я, скорее всего, свяжу свою жизнь с космосом. В 1963 году я закончил 11-й класс - я учился в Белоруссии - и поехал поступать в Московский университет. Когда зашел в приемную комиссию, увидел объявление, что есть такое астрономическое отделение и на него прием и конкурс отдельный - где-то 20-25 человек. Я думал, что это связано прямо с космосом. Но это оказалась астрономия, такой прямой связи с космосом, как у космонавтов, у нас нет. Но я доволен тем, как все сложилось.

Для обнаружения и исследования чёрных дыр наиболее важны два особых случая аккреции: аккреция в двойных системах и аккреция на сверхмассивные чёрные дыры, которые, вероятно, находятся в центрах галактик. В обоих случаях аккрецирующий газ имеет огромный собственный угловой момент. В результате элементы газа вращаются вокруг чёрной дыры по кеплеровским орбитам, образуя диск или тор вокруг неё. Решающую роль при аккреции играет вязкость. Вязкость демпфирует угловой момент каждого отдельного элемента газа, что позволяет газу постепенно закручиваться вокруг чёрной дыры по сходящейся к центру спирали. В то же время вязкость нагревает газ, заставляя его излучать. Вероятными источниками вязкости являются турбулентность в газовом диске и хаотические магнитные поля. К сожалению, у нас нет удовлетворительного физического понимания эффективной вязкости. Важную роль в физике аккреции могут также играть крупномасштабные магнитные поля.

Свойства аккрецирующего диска определяются темпом аккреции газа. Важной мерой светимости любой аккреции на чёрную дыру является критическая эддингтоновская светимость

здесь Mh -- масса чёрной дыры, mp -- масса покоя протона, уT -- томсоновское сечение. Это именно та светимость, при которой давление излучения в точности уравновешивает гравитационную силу, вызываемую массой Mh для полностью ионизированной плазмы.

Полезной мерой темпа аккреции является так называемый „критический темп аккреции“:

где LE задаётся формулой (11). Мы также будем использовать безразмерное отношение.

Первые модели дисковой аккреции были довольно простыми. Основное внимание в них было сосредоточено на случае умеренной скорости аккреции < 1. Впоследствии были разработаны теории для случаев ~ 1 и > 1. В этих теориях учитываются сложные процессы в излучающей плазме и различные типы неустойчивостей.

Источником светимости для дисковой аккреции является гравитационная энергия, которая высвобождается, когда газ движется по спирали по направлению к чёрной дыре. Большая часть гравитационной энергии высвобождается, порождая большую часть светимости, во внутренних частях диска. Согласно теории для этих простейших моделей полная светимость диска есть

где коэффициент q зависит от угловой скорости чёрной дыры. Это величина порядка 1 для невращающихся чёрных дыр и порядка 10 для быстро вращающихся чёрных дыр.

Темп аккреции -- это произвольный внешний параметр, который определяется источником газа (например, потоком газа от внешних слоёв атмосферы звезды-компаньона в двойной системе). Мы нормировали на величину, поскольку вероятно, что это характерный темп аккреции, с которым обычная звезда сбрасывает газ на компаньон, являющийся чёрной дырой. В этой модели предполагается, что аккрецирующий газ является относительно холодным, с температурой много меньше вириальной температуры, соответствующей потенциальной энергии в гравитационном поле. Как показывают оценки, при таких условиях может быть образован геометрически тонкий диск (толщина h << r). Это так называемая модель стандартного диска (см. ). В этой модели электронная и ионная температуры равны, и диск является эффективно оптически толстым. Температура газа во внутренних частях диска достигает значений T ? 10 7-10 8 К. В этой области непрозрачность, связанная с электронным рассеянием, модифицирует испускаемый спектр, так что он не является более спектром чёрного тела. Вместо этого полный спектр излучения диска представляет собой степенной спектр F ~ щ 1/3 с экспоненциальным „обрезанием“ на высоких частотах. Наиболее глубокие области таких „стандартных“ дисков, вероятно, неустойчивы.

Модель тонкого аккреционного диска не может объяснить жёсткие спектры, которые наблюдаются в аккреционных течениях вокруг чёрных дыр во многих наблюдаемых случаях. Было предложено несколько типов моделей с горячими аккреционными течениями, например, модель с горячей короной выше стандартного тонкого аккреционного диска.

В другой модели ионы во внутренней области горячие, Ti ? 10 11 К, а электроны значительно холоднее, Te ? 10 9 К. Этот внутренний диск толще диска „стандартной“ модели и производит большую часть рентгеновского излучения. Модели с горячими ионами и более холодными электронами являются оптически тонкими.

Дальнейшее развитие теории дисковой аккреции привело к более сложным моделям. Было показано, что когда светимость достигает критической величины (соответствующей величине порядка единицы), давление излучения во внутренних частях диска превосходит газовое давление и диск имеет тепловую и вязкостную неустойчивость. Для особенно больших значений > 80 значительная часть энергии плазмы теряется вследствие адвекции в направлении горизонта чёрной дыры, поскольку излучение захватывается аккрецирующим газом и не может покинуть рассматриваемую систему. Этот процесс стабилизирует течение газа и препятствует росту возмущений. Адвекция может быть также важна для меньших значений. При более высоких темпах аккреции толщина аккреционного диска становится сравнимой с его радиусом. В современных моделях учитываются радиальные градиенты давления и движение газа по радиусу. В самых внутренних частях диска и вплоть до чёрной дыры течение газа сверхзвуковое.

Недавно была развита теория оптически тонких горячих дисков специального типа. В этой модели большая часть энергии, диссипирующей за счёт вязкости, адвектируется аккрецирующим газом и только небольшая часть энергии испускается. Связано это с тем, что плотность газа настолько низкая, что эффективность испускания излучения очень мала. Такие модели называются адвективно доминированными. Они с успехом использовались для нескольких конкретных небесных объектов.

В заключение заметим, что для некоторых моделей дисковой аккреции может быть существенным образование электрон-позитронных пар. Мы полагаем, что новые модели, включающие в себя новейшие достижения физики плазмы, будут играть ключевую роль в современной астрофизике чёрных дыр.

Мы рассмотрели так называемый критический режим сферически симметричной аккреции, когда вещество падает на центральный объект со всех сторон. Но сферически симметричная аккреция почти никогда не реализуется в реальных астрофизических системах: давление и плотность обычно распределяются таким образом, что аккрецию можно назвать практически двумерной.

В этой задаче предлагается оценить толщину этого диска и убедиться, что при данных параметрах аккреционный диск действительно очень тонкий.

Самогравитацией диска можно пренебречь, поэтому в простейшем случае на кусочек вещества в диске действуют только две силы - притяжение центрального объекта и давление (рис. 1).

1) Приняв, что ΔP /ρ ≈ c s 2 (c s - скорость звука в среде), и вспомнив определение кеплеровской скорости, оцените отношение H /R .
2) Оцените численное значение этого отношения на расстоянии 10 гравитационных радиусов от центрального объекта массой в 2 солнечные, если температура вещества в диске равна 10 7 K, и оно состоит исключительно из водорода. Сделайте ту же оценку для расстояния 1000 гравитационных радиусов, если температура вещества ~10 4 K. Насколько диск тонкий?

Подсказка 1

В вертикальном направлении давление уравновешивает вертикальную компоненту гравитационной силы. А это — просто сама гравитационная сила, помноженная на H /R , в предположении, что это отношение мало (позже можно будет убедиться, что предположение было верным): в данном случае синус или тангенс — одно и то же, так как угол предполагается маленьким.

Подсказка 2

По сути, соотношение из первого пункта задачи - это определение скорости звука в жидкой или газообразной среде: ее квадрат равен отношению изменения давления к изменению плотности: c s 2 ≈ ΔP /Δρ ≈ P /ρ. Численно это значение можно получить из закона Клапейрона - Менделеева : P = nkT , где n - концентрация, T - температура, а k - постоянная Больцмана.

Решение

По сути на элемент маленького объема вещества в аккреционном диске действуют две силы: сила притяжения со стороны центрального объекта и сила давления. В вертикальном направлении они уравновешивают друг друга. Проекция гравитационной силы на вертикальное направление записывается так:

\[ \frac{GM\Delta m}{R^2}\sin{\alpha}, \]

где α - угол между «горизонталью» и наклоном границы диска (рис. 1). В предположении, что диск тонкий, верны соотношения \(\sin{\alpha}\approx \alpha\approx H/R\). Значит, равенство вертикальных сил можно записать в таком виде:

\[ \Delta P \Delta S = \frac{GM\Delta m}{R^2}\frac{H}{R}. \]

Массу кусочка вещества диска Δm можно выразить через плотность и его размеры: Δm = ρΔS Δz ≈ ρΔSH . Приняв ΔP ≈ P , получим:

\[ \frac{H}{R}\sim \left(\frac{P/\rho}{GM/R}\right)^{1/2}. \]

Как уже отмечалось выше, \(\sqrt{P/\rho}\) - это скорость звука, а \(\sqrt{GM/R}\) - кеплеровская скорость кругового движения на орбите радиуса R . Получается, что по порядку величины отношение толщины к радиусу равно отношению локальной скорости звука к соответствующей кеплеровской скорости.

Из уравнения Клапейрона - Менделеева P = nkT , подставив n = N /V , где N - полное число частиц в объеме V (напомним, что по условию диск состоит из водорода, поэтому масса каждой частицы равна m p - массе протона), и разделив обе части уравнения на ρ = Δm /V , получим:

\[ c_s^2 \sim \frac{P}{\rho} \sim \frac{kT}{\Delta m/N} = \frac{kT}{m_p}. \]

Пользуясь этим равенством, приходим к соотношению

\[ \frac{H}{R} \sim \left(\frac{kT/m_p}{GM/R}\right)^{1/2}. \]

На расстоянии в a гравитационных радиусов (\(R_g=\frac{2GM}{c^2}\)) от центрального объекта, кеплеровская скорость равна \(\sqrt{GM/aR_g} = c/\sqrt{2a} \sim c/\sqrt{a}\). Таким образом, получаем компактное выражение, не зависящее от массы центрального объекта:

\[ \frac{H}{R} \sim \left(\frac{akT}{c^2 m_p}\right)^{1/2}. \]

На расстоянии 10 гравитационных радиусов при температуре 10 7 K получим H /R ≈ 3×10 −3 , а на расстоянии 1000 гравитационных радиусов при температуре 10 4 K - H /R ≈ 10 −3 . В обоих случаях толщина диска очень маленькая, то есть «дисковое» приближение действительно оправдано.

Послесловие

В 1960-х годах впервые начались эксперименты по поиску источников рентгеновского излучения в космосе. Для этого запускались ракеты, которые на короткое время выводили рентгеновские детекторы в тонкие слои атмосферы. Траектория подбиралась так, чтобы у детекторов было достаточно времени проанализировать значительную часть неба.

Прорыв был совершен в 1962 году группой под руководством Риккардо Джаконни (лауреат Нобелевской премии по физике 2002 года «за создание рентгеновской астрономии и изобретение рентгеновского телескопа»), когда впервые в истории удалось найти источник рентгеновского излучения вне Солнечной системы - Sco X-1 (Скорпион X-1). Им, как позже было предложено Иосифом Шкловским (в 1967 году) и подтверждено дальнейшими наблюдениями, оказалось излучение вещества, падающего на нейтронную звезду массой 1,4 солнечных, которая перетягивает на себя вещество обычной звезды с массой всего 0,4 солнечных.

К середине 1970-х годов, после запуска первого рентгеновского спутника UHURU , было открыто и идентифицировано свыше 300 таких источников, в том числе и экстремально яркий Cyg X-1 (Лебедь X-1) - черная дыра массой 10–20 масс Солнца, перетягивающая на себя вещество с обычной звезды массой 20–40 масс Солнца. Такие объекты получили название рентгеновские двойные (x-ray binaries), их классифицируют в зависимости от массы звезды-донора на маломассивные, массивные и двойные промежуточных масс.

Объект Cyg X-1 в том числе известен и тем, что именно из-за него в 1975 году заключили исторический шуточный спор Стивен Хокинг и Кип Торн о проблеме существования черных дыр в контексте квантовой теории поля. Хокинг ставил на то, что в этой системе нет черной дыры. По его словам, это была своеобразная страховка: он посвятил немало времени теории черных дыр и ему было бы совсем обидно, если бы в итоге оказалось, что их не существует. Но в таком случае утешением была бы победа в споре, а призом - четырехлетняя подписка на сатирический журнал Private Eye . Торн в итоге выиграл спор в начале 90-х годов, когда наблюдательных данных стало достаточно для почти полной уверенности в существовании там черной дыры. По условиям спора он получил годовую подписку на Penthouse .

К 1970-м годам в целом стало понятно, что аккреция обычной звезды на маленький плотный компаньон (нейтронную звезду или черную дыру) - это вполне нормальное явление во Вселенной, и появилась необходимость построить целостную модель такой аккреции, чтобы объяснить и описать возникающее рентгеновское излучение.

В конце 1960-х и начале 1970-х годов появился ряд работ по описанию такой аккреции, но ключевой и самой известной стала Николая Шакуры и Рашида Сюняева 1973 года, которая «по совместительству» является до сих пор самой цитируемой статьей в теоретической астрофизике за всю историю. В том же году появилось обобщение теории Шакуры - Сюняева с учетом общей теории относительности, написанное Игорем Новиковым и Кипом Торном, который, кстати, в то время в течение нескольких семестров преподавал и работал в МГУ.

Стоит отметить, что позже стало понятно, что теория дисковой аккреции не является универсальной. Несмотря на то, что эта модель достаточно хорошо описывает аккрецию в критическом режиме (когда темп аккреции близок к эддингтоновскому пределу), в других режимах аккреционный диск может разрушаться или раздуваться, образуя, к примеру, так называемые «польские пончики» (в сверхэддингтоновском пределе).

В целом, различают три режима аккреции:
«Доэддингтоновский» , когда темп сильно меньше эддингтоновского предела. В таком случае вещество очень слабо излучает (теряет энергию), и из-за этого накопленная в результате падения энергия уходит на нагрев и раздувание диска.
Эддингтоновский , когда темп примерно равен критическому пределу. В таком случае вся (или почти вся) энергия от падения уходит в излучение (теряется), и диск является достаточно холодным чтобы оставаться тонким. Как ни странно, с точки зрения компьютерных симуляций, этот случай самый тяжелый, так как помимо охвата огромного расстояния от центрального объекта, нужно также «разрешить» тонкий диск, толщина которого в 100−1000 раз меньше самого расстояния. Приходится делить пространство на очень много клеток, что вычислительно очень долго и затратно. Поэтому пока такие глобальные симуляции с тонким диском делались только для аккреции на белые карлики, где отношение толщины диска к расстоянию не такое маленькое (рис. 4, слева).
Сверхэддингтоновский , когда темп аккреции значительно превышает эддингтоновский предел. Из-за огромного количества падающего вещества излучение не успевает покинуть аккреционный диск и поглощается внутри, повторно нагревая вещество. Из-за этого диск набухает, образуя толстые диски и «польские пончики» (рис. 4, справа).

Несмотря на то, что в реальности дисковая аккреция реализуется в узком классе объектов, и что этот процесс (даже в тонком диске) далеко не такой простой и стабильный, в общих чертах предсказания Шакуры и Сюняева о свойствах спектральных наблюдений аккреционных дисков оправдались. Так, по предсказаниям авторов, помимо излучения самого диска (области \(\nu^2\) и \(\nu^{1/3}\) на рис. 5, слева) должно было быть излучение в области высоких энергий (до 10 кэВ, рентгеновский диапазон), со спектром \(\nu^{-1}\).

Если основная область (горб на низких энергиях) — это обычное «чернотельное» излучение нагретого вещества в диске, то «хвост» на высоких энергиях возникает по двум причинам (рис. 5, справа):
1) комптоновское рассеяние фотонов на поверхности диска: фотоны, благодаря рассеянию, набирают энергию;
2) возникновение так называемой короны — сильно нагретого из-за поглощения высокоэнергичных фотонов вещества непосредственно над поверхностью диска.

В 90-х годах впервые начали составлять детальные спектры таких дисков, и картина была очень похожей (рис. 6): горб на низких энергиях (соответствующий диску), высокоэнергичный хвост (излучение короны) и излучение комптонизированных фотонов. В спектре отраженных фотонов можно также заметить известную линию излучения атома железа на 6,4 кэВ, возникающую из-за поглощения рентгеновского фотона (большой пик на фиолетовой кривой).

Однако все оказалось не так просто, как хотелось бы. В том же источнике Лебедь X-1 позже заметили сильную временную зависимость спектра: спектр менялся в течение какого-то времени от «жесткого» (красная линия на рис. 7) до «мягкого» (черная линия на рис. 7). Это связали с периодическим «испарением» самой внутренней части диска, расположенной совсем близко к черной дыре, из-за слишком большого потока высокоэнергичных фотонов. Такую переменность позже стали замечать и в других рентгеновских двойных, но пока окончательной теории этого явления не существует.

Звезды любого размера — от красных карликов до голубых сверхгигантов — имеют примерно сферическую форму.

Аккреционный диск Аккреционный диск – это структура, которая образуется из вещества, вращающегося вокруг центрального тела – молодой звезды или протозвезды, белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. Вещество диска под действием гравитации по спирали падает на центральную звезду, при этом происходит разогрев вещества, что порождает электромагнитное излучение, длина волны которого зависит от типа звезды. Диски вокруг молодых звезд и протозвезд излучают в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, а вокруг компактных массивных объектов типа нейтронных звезд и черных дыр – в коротковолновом (рентгеновском).

Алексей Левин

И все же в космосе есть великое множество объектов, которые вполне соответствуют столь экстравагантному титулу. Их научное название — аккреционные диски. Звезды, подобно людям, предпочитают объединяться в пары — так называемые бинарные системы. Это столь частое явление, что классик американской астрономии Цецилия Пейн-Гапочкин, которая первой доказала, что вещество Вселенной в основном состоит из водорода, как-то пошутила, что три из двух выбранных наудачу звезд входят в состав какой-нибудь бинарной системы.

Сбежать к соседу

Для определенности сначала остановимся на бинарных системах, состоящих из нормальных (то есть сжигающих водород) звезд главной последовательности, обращающихся вокруг единого центра инерции. Каков типичный механизм переноса вещества внутри достаточно тесной звездной пары? Как правило, обе звезды порождены одним и тем же молекулярным облаком и потому имеют одинаковый состав, но различные начальные массы. Более тяжелая звезда первой сжигает запасы водорода, теряет стабильность, многократно увеличивается в размере и превращается в красный гигант. При этом она может не только заполнить свою полость Роша, но и выйти за ее пределы. В таком случае центр звезды уже не сможет удержать своим тяготением вещество раздувшейся оболочки, и звезда начнет терять вещество. Значительная часть этого газа пройдет сквозь горловину на стыке полостей Роша и попадет в гравитационный плен к звезде-компаньонке. Из-за исхудания звезды-донора ее полость Роша будет стягиваться, из-за чего скорость утечки вещества со временем увеличится. Даже когда сравняются массы звезд, утечка только замедлится, но не прекратится вовсе.

Аккреционный диск — это структура, которая образуется из вещества, вращающегося вокруг центрального тела — молодой звезды или протозвезды, белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. Вещество диска под действием гравитации по спирали падает на центральную звезду, при этом происходит разогрев вещества, что порождает электромагнитное излучение, длина волны которого зависит от типа звезды. Диски вокруг молодых звезд и протозвезд излучают в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, а вокруг компактных массивных объектов типа нейтронных звезд и черных дыр — в коротковолновом (рентгеновском).

Перенос вещества знаменует начало сложной эволюции звездной пары. Вторая (менее массивная) звезда захватывает материю соседки и увеличивает свой угловой момент. Чтобы сохранить суммарный момент бинарной системы, звезды сближаются. Позже, когда первая звезда становится легче компаньонки, они начинают расходиться — опять же в силу сохранения общего углового момента. Однако если вторая звезда успеет выйти за границы своей полости Роша, она тоже окажется обречена на потерю плазмы.

Эти превращения чреваты различными исходами, и астрономы пока не умеют их точно моделировать. Однако не подлежит сомнению, что часть выброшенной материи выходит на орбиты, целиком окружающие звездную пару. Чаще всего эта материя образует плоское вращающееся кольцо, которое называется диском экскреции (от лат. excretio — «выделение»). В особых обстоятельствах звездная пара может даже утонуть в шарообразном газовом облаке, порожденном ушедшей в пространство плазмой. Вто же время каждая звезда имеет шансы обзавестись своим собственным колечком поменьше и поплотнее — аккреционным диском (accretio, «прирост»). Возможны и более экзотические сценарии (такие как столкновение и слияние звезд или же съедение соседки более крупной звездой), но в такие дебри мы не станем даже заглядывать.

Полости Роша разграничивают области гравитационного влияния каждого из компаньонов в двойной звездной системе. Все, что находится внутри соответ-ствующей полости, может обращаться только вокруг «своей» звезды. Перетекать из одной полости в другую вещество может только через «горловину», соединяющую полости.

До сих пор речь шла о нормальных звездных парах, но для запуска аккреции вполне достаточно, чтобы всего один партнер обладал газовой оболочкой, способной раздуваться и уходить сквозь горловину полости Роша. Поэтому аккреция возникает, и когда бинарная система объединяет обычную звезду с телом из вырожденной материи, то есть белым карликом, или нейтронной звездой, или даже с черной дырой (исторически аккреционные диски впервые обнаружили при наблюдении белых карликов, имеющих в компаньонах обычные звезды). Более того, именно такие аккреционные процессы имеют наиболее эффектные последствия. Хорошие примеры — взрыв сверхновой типа Iа, обусловленный длительной аккрецией на поверхность белого карлика, почти достигшего верхнего предела своей массы, а также возникновение рентгеновского пульсара, вызванное аккрецией на сильно намагниченную нейтронную звезду. Тем не менее аккреционные диски в системах обычных двойных звезд более типичны — хотя бы потому, что таких пар гораздо больше.

Центрами аккреции могут оказаться и одиночные космические объекты. Любое тело, окруженное газовой или газопылевой средой, притягивает ее частицы, и они могут либо на его поверхность, либо формировать аккреционный диск (что с успехом делают молодые звезды, недавно сформировавшиеся из газопылевых облаков). Однако все же наиболее интересные феномены наблюдаются в аккреционных дисках, возникших в тесных бинарных системах.

Полости Роша

Каждая звезда окружена областью пространства, где господствует ее собственное притяжение, а не гравитация соседки. Размер этой зоны, естественно, зависит от массы звезды. Если такие области пересечь плоскостью, в которой движутся оба светила, получится нечто вроде восьмерки — две вытянутые в линию петельки с единственной общей точкой на отрезке, соединяющем звездные центры (для большей наглядности придется остановить время, ведь эта фигура вращается). В этой точке каждая из звезд тянет в свою сторону с одинаковой силой, и суммарный вектор гравитации оказывается равным нулю. Ее называют первой точкой Лагранжа, хотя вообще-то двумя десятками лет ранее ее выявил Леонард Эйлер.

Пространственные пузыри, о которых идет речь, математически описал Эдуард Рош, французский астроном и математик XIX века, и в его честь их именуют полостями Роша. Космические частицы внутри полости Роша могут вращаться лишь вокруг той звезды, которую эта полость охватывает. Эта же теория утверждает, что вещество может перетекать между звездами сквозь горловину, соединяющую полости, то есть через окрестности первой точки Лагранжа. Материя, которая находится вне полостей, может стабильно обращаться вокруг звездной пары в целом, но ее траектории не ограничиваются путями, охватывающими одну-единственную звезду.

Вся сила в трении

Природа, как известно, сложнее всякой теории. Потерянная звездой-донором материя может мигрировать не только сквозь узкое сопло на стыке полостей Роша, но и более сложным путем, однако в любом случае не покидает орбитальной плоскости бинарной системы. Аккреционные диски возникают тем легче, чем меньше расстояние между космическими компаньонами и геометрический размер тела, к которому движутся плазменные потоки. Это легко понять — члены пары вращаются друг вокруг друга, и у частиц больше шансов не упасть на малую цель, а выйти на охватывающую ее орбиту. Поэтому аккреция на белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры- самый эффективный механизм дискообразования. Дело это не быстрое, годовая скорость транспорта вещества от звезды-донора не превышает миллиардной доли солнечной массы. Сначала «принимающее» тело обзаводится свитой в виде узкого кольца, а диск формируется позднее.

Частицы внутри него имеют разные скорости, которые, в соответствии с третьим законом Кеплера, возрастают по мере приближения к центральному телу (именно поэтому Меркурий обращается вокруг Солнца быстрее, нежели Земля). В результате в веществе диска возникает внутреннее трение, которое гасит кинетическую энергию частиц и заставляет их двигаться по спиральным траекториям. Некоторые частицы в конце концов падают на поверхность притягивающего объекта, будь то атмосфера обычной звезды, твердая корка звезды нейтронной или горизонт событий черной дыры. Так что диск непрерывно теряет вещество, но в то же время непрерывно получает новое от звезды-донора.

Используя инструмент Large area Telescope (LAT) космической гамма-обсерватории Fermi, астрономам в 2009 году впервые удалось доказать, что микроквазары могут испускать гамма-излучение высоких энергий, причем за счет не аккреции, а более сложного механизма. Более крупная звезда в двойной системе Лебедь X-3 — это звезда Вольфа-Райе с температурой поверхности более 100 000 К. Она и второй компаньон (нейтронная звезда или черная дыра) с аккреционным диском обращаются вокруг общего центра масс с периодом около пяти часов. Максимум интенсивности гамма-излучения наблюдается, когда релятивистский компаньон находится с дальней (относительно Земли) стороны крупной звезды, — это означает, что гамма-излучение возникает за счет обратного эффекта Комптона — рассеяния ультрафиолетовых фотонов звезды на горячих релятивистских электронах джетов, разогнанных магнитным полем компактного компаньона.

Это же трение нагревает вещество диска и превращает его в источник электромагнитного излучения. Диск становится светящимся объектом — фигурально говоря, плоской звездой. В максимуме температура внутренней зоны диска может составлять десятки миллионов градусов. Этого достаточно для генерации рентгеновских квантов, что и происходит в дисках вокруг нейтронных звезд и черных дыр звездной массы. Центральная зона такого диска светит ультрафиолетом, а внешняя, чья температура обычно не превышает температуры солнечной поверхности, испускает лучи видимого спектра. Как правило, диски вокруг белых карликов не нагреваются более чем до 20 000 градусов иих спектр не простирается дальше ультрафиолетовой зоны. Самые холодные аккреционные диски, окружающие протозвезды и молодые звезды, способны генерировать лишь инфракрасное излучение. Таким образом, по ширине спектра излучения плоские звезды не уступают обычным.

Идея фрикционного (обусловленного трением) нагрева диска выглядит простой и естественной, однако это всего лишь видимость. Подобный нагрев нельзя объяснить простым столкновением газовых молекул — в этом случае температуры внутри диска будут много ниже наблюдаемых в действительности. Пока его механизмы понятны лишь в общих чертах, но, как говорится, дьявол скрывается в деталях. Одна из весьма популярных ныне теорий объясняет генерацию тепла возникновением магнитно-ротационной нестабильности — турбулентных вихревых потоков, связанных магнитными полями. Так ли это, еще предстоит выяснить.

Система Лебедь X-3 представляет собой пару из горячей массивной звезды и компактного релятивистского объекта (нейтронной звезды или черной дыры), который выбрасывает джеты — релятивистские струи вещества, излучающего в радиодиапазоне. Астрономы называют такие объекты микроквазарами, поскольку по своим свойствам — излучение в очень широком диапазоне, быстрое изменение блеска и радиоизлучающие джеты — они напоминают квазары и блазары с очень массивными черными дырами в центре, но в миниатюре. На иллюстрации — фото, сделанное в гамма-диапазоне космической гамма-обсерваторией Fermi в области созвездия Лебедя. Кружком обведен Лебедь X-3, впервые обнаруженный в 1966 году как мощный источник рентгеновского излучения. Более яркие точки — это пульсары.

Живой и светится

Аккреционные диски не перестают удивлять астрономов. Профессор Техасского университета Крейг Уилер как-то отметил, что они живут своей собственной жизнью. Аккреционный диск способен изменять светимость, причем в весьма широких пределах. Это не универсальное правило — некоторые диски стабильно излучают электромагнитную энергию, а некоторые вспыхивают лишь время от времени. Как раз такое поведение характерно для дисков, окружающих компактные объекты — белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

Наиболее типичная (но отнюдь не единственная) причина таких вспышек состоит в том, что интенсивность фрикционного нагрева диска в значительной мере зависит от его температуры. При нагреве не выше нескольких тысяч градусов вещество диска прозрачно для инфракрасного излучения и быстро теряет тепло. В этих условиях трение довольно слабое, частицы диска не особенно тормозятся и в большинстве остаются на стабильных орбитах, не стягивающихся к центру аккреции.

Однако температура диска определяется также его плотностью, которая связана с темпом поступления вещества от звезды-донора. Если она подпитывает диск достаточно щедро, плотность его вещества растет, диск постепенно теряет прозрачность и все лучше удерживает тепло. Поскольку он при этом нагревается, прозрачность еще сильнее уменьшается, и это опять же подхлестывает рост температуры. Вещество становится очень горячим, начинает ярко светиться, излучая все больше и больше коротковолновых фотонов. Диск вспыхивает, подобно переменной звезде, быстро увеличивая блеск до разрешенного природой максимума.

Трехмерная модель аккреции двойной звезды SS Лебедя, представителя одного из подклассов карликовых новых. Блеск SS Лебедя возрастает на 2−6 звездных величин на 1−2 дня с периодом от 10 дней до нескольких лет, механизм этих вспышек объясняется последствиями перехода вещества в диске из одного устойчивого состояния (нейтрального) в другое (ионизованное).

А затем опять вмешивается трение. Оно становится настолько большим, что тормозит молекулы во внешней части аккреционного диска. Они теряют скорость и мигрируют к центру диска, вследствие чего периферийная зона становится более разреженной и посему прозрачной для радиации. Процесс поворачивается в обратную сторону — диск теряет тепло с внешнего края, охлаждается, делается прозрачней и, соответственно, охлаждается еще сильнее. В конце концов температура всего диска снижается настолько, что он опять превращается в источник одного лишь инфракрасного излучения. Поскольку аккреция со звезды-донора не прекращается, диск начинает греться — и цикл повторяется заново.

Естественно, что такие циклы различны для разных дисков — все зависит от конкретных условий. Продолжительность холодной стадии может изменяться в широких пределах — от недель до десятков лет. В этой фазе диск практически невидим, разве что уж очень настойчиво приглядываться к нему с помощью инфракрасной аппаратуры. Длительность горячей фазы и, соответственно, высокой яркости диска в среднем в десять раз короче. Поэтому втесной двойной системе типичный аккреционный диск в каком-то смысле ведет себя подобно электрическому конденсатору, который долго копит энергию и потом быстро разряжается. Интересно, что даже если звезда-донор поставляет вещество с постоянной скоростью, диск все равно периодически мигает и гаснет. Как и сердце красавицы, он склонен если не к измене, то к перемене.

Диски и катаклизмы

Для иллюстрации богатых возможностей аккреционных дисков рассмотрим обширный класс космических объектов, объединенных общим названием «катаклизмические переменные». Это тесные бинарные системы, состоящие из звезды главной последовательности (обычно из самых легких, но порой и красного гиганта) и белого карлика. Они проявляют себя весьма нестабильным излучением (отсюда и название), которое внемалой степени обусловлено наличием аккреционного диска.

Генераторы антиматерии

Аккреционный диск совсем не обязан быть плоским. Последние теоретические исследования показали, что на стадии охлаждения плотность вещества в центре диска может упасть столь сильно, что частицы почти перестают замечать друг друга. Интенсивность электромагнитного излучения резко снижается, тепло перестает отводиться, и диск, несмотря на сильную разреженность, быстро нагревается. Давление в его центре увеличивается настолько, что образуется почти сферический пузырь, заполненный сверхгорячей плазмой. Температура этой плазмы может превысить предел, за которым возникают электронно-позитронные пары, и распухшая внутренняя зона диска становится источником антиматерии. Теоретики полагают, что подобные процессы обычно имеют место в окрестностях черных дыр, в частности, сверхмассивных. Большая часть тепловой энергии непосредственно поглощается самой дырой, остаток же излучается в виде жесткого рентгена и гамма-квантов.

Практически все катаклизмические переменные испускают свет и тепло не только из срединных и центральных зон аккреционных дисков, но и из области на стыке горловины полости Роша и внешнего края диска. Ее называют горячим пятном — и есть за что. Газовые частицы, приходящие от звезды-донора, на этом участке сталкиваются с материей аккреционного диска и сильно ее нагревают. Светимость горячего пятна может превосходить светимость внутренних зон диска, хотя размер его значительно меньше.

Известно несколько разновидностей катаклизмических переменных. К одной из них относятся классические новые звезды (или просто новые). В этих системах вещество аккреционного диска в изобилии падает на поверхность белого карлика со скоростью около тысячи километров в секунду. Более 90% этого вещества состоит из водорода и поэтому может служить топливом для термоядерных реакций. Для их запуска надо, чтобы водород разогрелся до критической температуры порядка 10 млн градусов. Поскольку эти реакции интенсивно выделяют энергию, на поверхности белого карлика возникают ударные волны, которые буквально взрывают его внешний слой и выбрасывают сверхгорячую плазму в окружающее пространство. В это время светимость системы возрастает на 3−6 порядков. По завершении вспышки белый карлик принимается копить на поверхности новый запас водорода — горючее для очередного взрыва. Согласно теории, классические новые могут загораться с интервалом в 10000 лет, но до сих пор этого еще не наблюдали (что и неудивительно — история астрономии значительно короче).

Другой вид катаклизмических переменных — повторные новые. Они увеличивают яркость гораздо скромнее, максимум в тысячу раз, зато вспыхивают каждые 10−100 лет. Механизм таких вспышек пока точно не известен. Есть еще карликовые новые, светимость которых возрастает лишь десятикратно в течение недель или месяцев. Не исключено, что это обусловлено фрикционным перегревом аккреционного диска, однако такое объяснение не вполне общепринято.

Окольцевать черную дыру

Самые большие аккреционные диски имеются у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Основным источником материи для таких дисков служат горячие молодые звезды, чье излучение активно выбрасывает в пространство плазму с внешних оболочек (это явление называют звездным ветром). Как рассказал «ПМ» профессор астрономии Мичиганского университета Джон Миллер, эти диски нагреваются примерно до таких же температур, что и диски вокруг белых карликов, и поэтому в основном генерируют ультрафиолетовое излучение. Это может показаться странным, поскольку вес самих дыр составляет миллионы и миллиарды солнечных масс. Однако дело в следующем: поверхность подобного диска столь обширна, что быстро излучает тепло — по той же причине чай в блюдечке стынет много быстрее, нежели в чашке.

«За последние годы достигнут значительный прогресс в изучении потоков частиц в аккреционных дисках, окружающих черные дыры различного калибра, — говорит профессор Миллер. — Внутренние края таких дисков могут настолько приблизиться к границе черной дыры, что попадут в области, где уже работает общая теория относительности. Спектральный анализ исходящего оттуда излучения обещает немало интересного. Аккреционный диск может служить своеобразным индикатором вращения черной дыры. Теория утверждает, что внутренний край диска должен подойти к горизонту событий вращающейся дыры ближе, чем к горизонту дыры той же массы с нулевым угловым моментом. Уже есть приборы, способные обнаружить этот эффект и тем самым выявить вращение черной дыры. Вполне возможно, в ближайшем будущем это удастся».