Аккреционный диск: Аккреционный диск

Аккреционный диск

Лекция известного астрофизика и популяризатора науки, доктора физико-математических наук Сергея Борисовича Попова об аккреции

Содержание:

  • 1 Механизм образования
  • 2 Механика дисковой аккреции
  • 3 Энерговыделение в диске
  • 4 Спектр излучения диска
  • 5 Внутренняя граница и светимость диска
  • 6 Пограничный слой
  • 7 Неустойчивости и переменность излучения
  • 8 Диски вокруг сверхмассивных чёрных дыр
  • 9 Материалы по теме
  • 10 Дисковая аккреция на белые карлики и нейтронные звезды

Механизм образования

Симуляция аккреционного диска

Механика дисковой аккреции

Механика уменьшения орбитального расстояния от центра диска с дальнейшим падением вещества диска на центральный объект, вызвана потерями энергии во время трения различных слоев газа друг об друга. Механизм движения вещества в аккреционном диске был впервые постулирован лордом Рэлеем в начале 20 века, а механизм движения с ускорением был обнародован Джефри Тейлором в середине 20 века.

Схема уникальной системы OJ287 пары сверхмассивных черных дыр

В случае большой массы акреционного диска относительно центрального объекта часто происходит образование полярных джетов – струй вещества, выбрасываемых перпендикулярно оси вращения центрального объекта диска. Во многих случаях вещество в подобных струях движется с околосветовыми скоростями. В связи с этим часто подобные джеты называются релятивистскими. Высказываются соображения, что образование подобных джетов связано со сверхмощными магнитными полями.

Схематичное изображение полярных джетов

Если подобный полярный джет аккреционного диска сверхмассивной черной дыры (квазара) направлен к земному наблюдателю, то подобный объект называют блазаром. Блазары обладают большой переменностью. Недавно один из блазаров стал источником обнаруженного нейтринного излучения. Подобное излучение было обнаружено с помощью обсерватории IceCube в Антарктиде, и является первым случаем регистрации нейтринного излучения от внегалактического объекта, за исключением сверхновой 1987 года, вспыхнувшей в соседней галактике Большое Магелланово облако. В тоже время “нейтринный” блазар, находится в тысячи раз дальше близких галактик.

Энерговыделение в диске

Разогрев аккреционного диска связан с тем, что вещество в нём движется по законам Кеплера. Если вещество на более высоких орбитах движется с более низкими орбитальными скоростями, то вещество на более низких орбитах движется с более высокими орбитальными скоростями. В результате соприкосновения вещества, движущегося с разными орбитальными скоростями, происходит его разогрев.

Спектр излучения диска

Вещество в аккреционных дисках нагрето до миллионов, миллиардов или даже триллионов градусов Кельвина. В связи с этим, максимум даже теплового излучения аккреционных дисков часто приходится на рентгеновский и гамма-диапазон электромагнитного спектра. Кроме того, для аккреционных дисков характерно нетепловое излучение, которое вызвано ускорением элементарных частиц в сверхсильных магнитных полях нейтронных звезд и белых карликов. Для подобного нетеплового излучения максимум часто приходится на радиодиапазон. В дополнение, аккреционные диски часто являются источником космических лучей сверхвысоких энергий.

Внутренняя граница и светимость диска

Внутренней границей диска называется граница диска, где разделяются стабильные и нестабильные орбиты вещества в диске. Абсолютная светимость аккреционных дисков различается в широких пределах: от минимальной, которая значительно меньше даже светимости тусклых белых карликов до максимальной, значительно превышающей свет всех звезд в своей галактике. В последнем случае речь идет об объектах, которые называются сверхновые первого типа и квазары.

Пограничный слой

Пограничным слоем аккреционного диска условно называется узкая область диска, в котором вещество совершает меньше одного орбитального оборота перед падением на центральный объект диска.

Неустойчивости и переменность излучения

Неустойчивости аккреционных дисков связаны с накоплением вещества на поверхности центрального объекта диска (к примеру, белого карлика или нейтронной звезды). В случае черной дыры неустойчивость часто вызвана увеличивающимся процессом возмущений плотности.

Диски вокруг сверхмассивных чёрных дыр

Исторически аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр (СЧД) были открыты одними из первых. Это связано с тем, что они представляют собой одни из ярчайших радиоисточников на небе. Когда в 50х годах 20 века английские астрономы составили первые каталоги ярчайших радиоисточников, они обнаружили, что многие из них связаны либо с галактиками аномальной формы либо с загадочными звездами. Последующие исследования показали, что первый класс источников связан со сталкивающимися или взаимодействующими галактиками. Вероятно, столкновения галактик приводит к тому, что большое количество звезд и межзвездного газа (пыли) попадает в окрестности СЧД. Подобный процесс активизирует быстрый рост СЧД и большую светимость их аккреционных дисков.

Материалы по теме

Примерами подобных объектов являются радиогалактики Дева А и Лебедь А. Хотя второй класс объектов был первоначально ассоциирован с обычными звездами, последующие исследования показали, что это далеко не так. Спектроскопия “радиозвезд” показала, что такие объекты обладают крайне необычными спектрами, первоначально не удавалось идентифицировать ни одну из спектральных линий. Лишь спустя некоторое время теоретики догадались, что необычный спектр подобных радиозвезд вызван их огромным красным смещением. Следовательно, такие объекты удалены от земного наблюдателя на огромные расстояния – многие миллиарды световых лет. Стало очевидно, что радиозвезды представляют собой ультраяркие галактики с необъяснимо высокой светимостью. Подобные радиозвезды получили название квазары или квазиозвездные объекты. Самым известным из них является квазар 3С273, видимая яркость которого в оптическом диапазоне достигает 13 звездной величины. Долгое время в объяснение физической природы квазаров соперничали две точки зрения: очень массивные молодые галактики с большим темпом звездообразования и аккреционные диски СЧД. Накопление фотометрической информации показало, что квазары обладают большой переменностью в оптическом диапазоне на интервале из нескольких дней или месяцев. По причине конечной скорости света подобная переменность означала, что размер источника огромной светимости квазаров заключен в пределах лишь нескольких парсек. Окончательно версия СЧД в центрах галактик как источника излучения квазаров стала преобладать после того, как снимки космического телескопа “Хаббл” показали, что часто окрестности квазаров представляют собой спиральные рукава.

Пример гигантской системы двойной сверхмассивной черной дыры OJ287

Подробная лекция о проекте “Спектр-Р”

Дисковая аккреция на белые карлики и нейтронные звезды

Белые карлики зачастую являются частью тесных двойных систем, второй компонент которых — самый распространенный тип звезд в галактике – красные карлики. Так как размер белого карлика примерно равен размеру нашей планеты, а масса сравнима с массой Солнца, то подобные остатки звезд обладают огромной первой космической скоростью. В связи с этим белые карлики притягивают к себе вещество с внешних слоев соседних звезд. Аккреционные диски белых карликов обладают большой нестабильностью, которая вызвана накоплением водорода на их поверхности.

Сверхновая 1 типа

Подобная нестабильность часто приводит к громадным термоядерным взрывам. Различаются несколько типов подобной переменности аккреционных дисков  белых карликов: карликовые новые, новые и сверхновые первого типа. Последний тип звездной активности вызван превышением предела Чандрасекара, т.е. как только масса белого карлика превышает 1.4 масс Солнца происходит его гравитационный коллапс в нейтронную звезду. Впрочем, насчет последнего типа часто существует мнение, что сверхновые первого типа представляют собой процесс слияния двух белых карликов. Это вызвано их радикальным отличием от сверхновых второго типа. Если для сверхновых первого типа характерна похожесть абсолютного блеска и отсутствие линий водорода, то для сверхновых второго типа характерны большие различия в абсолютном блеске, а так же присутствие линий водорода.

Сверхновая 2 типа

Сейчас считается, что сверхновые второго типа представляют собой стадию коллапса массивных звезд. В связи с тем, что сверхновые первого типа очень похожи друг на друга по форме фотометрических кривых, они часто являются универсальным стандартом в шкале внегалактических расстояний. Так изучение сверхновых первого типа привело к обнаружению ускоренного расширения Вселенной. Подобное расширение в 1998 году было объяснено наличием темной энергии во Вселенной, на которую приходится около ¾ всей массы Вселенной. За данное открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Кроме аккреции вещества соседних звезд на поверхность белых карликов часто наблюдается аккреция остатков разрушенных планет и астероидов во время стадии красного гиганта. Подобная аккреция обогащает фотосферу белого карлика тяжелыми элементами (химические элементы тяжелее водорода и гелия). Современные наблюдения показывают, что около половины из белых карликов обладают “загрязненной” поверхностью.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 23994

Запись опубликована: 28.03.2019
Автор: Борислав Славолюбов

Астрономы отыскали искривленный аккреционный диск вокруг черной дыры в двойной системе

Наземные и космические телескопы помогли астрономам установить, что аккреционный диск вокруг черной дыры в двойной рентгеновской системе MAXI J1820+070 искривлен, из-за чего в системе возникают сильные колебания яркости в оптическом диапазоне. Дальнейшие исследования этой системы могут улучшить наше понимание поведения подобных систем во время фазы активности черных дыр. Статья принята к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Процессы аккреции широко распространены во Вселенной — благодаря им формируются звезды и планеты, а также происходят взрывы сверхновых типа Ia или набирают массу черные дыры. В последнем случае наблюдения за подобными компактными объектами, окруженными аккреционными дисками, могут многое рассказать о самих черных дырах разных масс и механизме генерации релятивистских выбросов плазмы — джетов.

MAXI J1820+070 (или ASASSN-18ey) была обнаружена в оптическом диапазоне 6 марта 2018 года в рамках обзора ASAS-SN, а спустя 5 дней была замечена рентгеновским телескопом MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image), установленным на МКС. Эта рентгеновская двойная система находится на расстоянии 9600 световых лет от Земли и состоит из черной дыры массой около восьми масс Солнца и звезды массой около половины массы Солнца. Она является источником вспышек излучения в рентгеновском и радиодиапазонах волн. Более ранние наблюдения за системой помогли выявить в ней движение плазмы в джетах.

Группа астрономов во главе с Джессимол Томас (Jessymol K. Thomas) из Южноафриканской астрономической обсерватории опубликовала результаты анализа кривых блеска MAXI J1820+070 в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах, полученных благодаря наземным и космическим телескопам и охватывающих несколько месяцев наблюдений в 2018–2019 годах.

Ученые выделили несколько фаз в поведении системы. Первые 86 дней после начала вспышки наблюдалась классическая кривая блеска рентгеновской/оптической вспышки маломассивной рентгеновской двойной с постепенным падением уровня излучения. С 87 по 112 день происходило постепенное увеличение яркости наряду с внезапным появлением огромной модуляции излучения в оптическом диапазоне, в ходе которого за почти 17 часов пиковая яркость источника увеличивалась в два раза. С 112 по 253 день началось изменение свойств рентгеновского излучения, которое из жесткого диапазона переходило в мягкий.

Исследователи пришли к выводу, что такое странное поведение системы не может быть объяснено нагревом поверхности звезды-донора рентгеновским излучением, а является результатом искривления аккреционного диска. В этом случае источник жесткого рентгеновского излучения, который может быть основанием джета, находится выше деформированных внешних областей аккреционного диска, что позволяет увеличить площадь диска, которая может быть освещена, тем самым значительно увеличивая поток излучения в определенные моменты наблюдений.

Ранее мы рассказывали о том, как джет активной галактики изогнул мост между сливающимися скоплениями галактик и как Телескоп горизонта событий получил самое детальное изображение джета блазара 3C 279.

Александр Войтюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

аккреционный диск | астрономия | Британика

пылевой диск вокруг черной дыры в NGC 4261

Просмотреть все материалы

Связанные темы:
черная дыра
Предел массы Эддингтона
аккреция

Просмотреть все связанные материалы →

аккреционный диск , дискообразный поток газа, плазмы, пыли или частиц вокруг любого астрономического объекта, в котором вещество, вращающееся вокруг гравитационного поля объекта, теряет энергию и угловой момент по мере того, как оно медленно движется по спирали внутрь . В астрофизике термин 9Аккреция 0017 относится к увеличению массы любого небесного объекта из-за его гравитационного притяжения. Формирование звезд и планет и мощное излучение квазаров, радиогалактик, рентгеновских двойных звезд ( см. Рентгеновская астрономия) и, вероятно, также сверхновых типа Ia связаны с аккреционными дисками. Астрономический объект, масса которого растет, известен как аккретор.

Физическое описание

Раскройте тайну черной дыры

Просмотреть все видео к этой статье

Аккреционный диск формируется всякий раз, когда аккрецируемое вещество обладает достаточным вращательным или угловым моментом, чтобы оно не могло просто падать внутрь к аккретору по прямой линии. В направлениях, перпендикулярных оси вращения аккретора, поток стремится выровняться на диск, потому что вращение препятствует притоку материала. В направлениях, параллельных оси вращения, вещество сжимается к плоскости до тех пор, пока тепловое давление внутри диска примерно не сравняется с силой гравитации.

Викторина «Британника»

Космос: правда или вымысел?

Марс и Млечный Путь больше, чем просто шоколадные батончики! Узнайте, насколько больше вы знаете о космосе, с помощью этого теста.

Если тепловое давление, препятствующее сжатию, мало по сравнению с силой тяжести и вращением, которые заставляют диск сжиматься по вертикали, то диск будет геометрически тонким, а его толщина будет намного меньше его радиального размера. Если силы давления сравнимы с вращением и гравитацией, аккреционный диск будет геометрически толстым, больше напоминающим тор, чем диск.

Материя внутри диска закручивается внутрь по спирали, потому что теряет энергию и угловой момент из-за турбулентности и вязкости. В отсутствие какой-либо вязкости, турбулентности или других форм трения вещество, вращающееся вокруг центрального объекта, быстро падало бы к экваториальной плоскости диска, а затем продолжало бы двигаться по круговым орбитам. Следовательно, для того, чтобы материя двигалась внутрь и происходила аккреция, необходима некоторая форма трения, которая рассеивает угловой момент.

Аккреторы и массовое снабжение

Аккретором может быть формирующаяся звезда или планета, обычная звезда или компактный объект, такой как белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра (примерно в порядке увеличения компактности). Аккреционные диски излучают большое количество энергии в результате преобразования гравитационной потенциальной энергии в излучение по мере того, как аккрецируемый материал падает или закручивается внутрь. Если аккретором является нейтронная звезда или черная дыра, аккреция может высвобождать энергию более эффективно, чем термоядерные реакции, и поэтому считается, что она питает самые энергичные объекты во Вселенной, включая квазары, радиогалактики и рентгеновские двойные системы.

Источником массы для аккреционного диска может быть материал звезды-компаньона (в случае рентгеновских двойных и катаклизмических переменных), межзвездной среды (в случае активных ядер галактик) или пыли и газа в протопланетном диске. (в случае образования планет). Физические условия внутри диска и источник материала диска определяют физическое состояние и химический состав диска.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Физические процессы

Учитывая типичные плотности и температуры в аккреционных дисках, вязкость слишком мала, чтобы вызвать дрейф внутрь. Считается, что трение возникает из-за турбулентности из-за вращения диска, усиливающего любые магнитные поля, которые уже есть. Эта турбулентность обеспечивает эффективную вязкость, которая вызывает дрейф материи внутрь, в то время как избыточный угловой момент переносится наружу.

Когда материал в диске приближается к аккретору, он ускоряется в ответ на более сильное гравитационное притяжение и движется по спирали со сверхзвуковой орбитальной скоростью, продолжая постепенно дрейфовать внутрь с дозвуковой скоростью. Если аккретором является обычная звезда главной последовательности, орбитальная скорость составляет сотни километров в секунду. В самых крайних случаях нейтронных звезд или черных дыр орбитальное движение приближается к скорости света и поэтому должно описываться теорией относительности. Излучение диска демонстрирует такие релятивистские эффекты, как гравитационное красное смещение, при котором длина волны испускаемого света смещается в сторону более длинных волн.

Поскольку материал диска должен терять энергию, чтобы срастись с центральным объектом, материал в диске нагревается, и выделяемое тепло уходит через обе стороны диска. В рентгеновских двойных системах, где аккретором является нейтронная звезда или черная дыра, температура в аккреционных дисках колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов кельвинов. Следовательно, диск излучает свет от инфракрасного до низкоэнергетического (мягкого) рентгеновского излучения. Часто части диска могут испаряться, образуя еще более горячую корону с низкой плотностью, подобную короне Солнца, испускающую излучение в высокоэнергетическом (жестком) рентгеновском диапазоне.

Многое можно узнать из детальных спектральных исследований ( см. спектроскопия) излучения аккреционных дисков. Эмиссия континуума дает представление о скорости, с которой масса течет через диск, и о распределении температуры на поверхности диска. Линейное излучение и его детальная форма позволяют измерять параметры системы. В лучшем случае массу и скорость вращения центрального компактного объекта можно определить путем детального анализа длины волны и формы определенных спектральных линий железа. Эти линии являются лучшим доказательством существования черных дыр.

Многие различные аккрецирующие объекты, в том числе квазары, радиогалактики, рентгеновские двойные системы и молодые звезды, выбрасывают часть аккрецируемого материала со своих полюсов в виде сверхзвуковых джетов ( см. радиоджет). Принято считать, что эти струи, вероятно, движутся за счет магнитных сил, возникающих в силовых линиях магнитного поля, спирально закрученных вращением диска и направленных перпендикулярно ему.

Юхан Франк
Визуализация аккреционного диска черной дыры

Вселенная
ID: 13326

Выпущено 25 сентября 2019 г.

Эта новая визуализация черной дыры показывает, как ее гравитация искажает наш взгляд, искажая ее окружение, как если бы мы видели ее в карнавальном зеркале. Визуализация имитирует появление черной дыры, в которой падающая материя собирается в тонкую горячую структуру, называемую аккреционным диском. Чрезвычайная гравитация черной дыры искажает свет, излучаемый различными областями диска, создавая деформированный вид.

Яркие узлы постоянно образуются и рассеиваются на диске по мере того, как магнитные поля накручиваются и закручиваются в бурлящем газе. Ближайший к черной дыре газ вращается со скоростью, близкой к скорости света, в то время как внешние части вращаются немного медленнее. Эта разница растягивает и срезает яркие узлы, образуя на диске светлые и темные полосы.

Если смотреть сбоку, слева диск выглядит ярче, чем справа. Светящийся газ на левой стороне диска движется к нам так быстро, что эффекты теории относительности Эйнштейна увеличивают его яркость; противоположное происходит с правой стороны, где удаляющийся от нас газ становится несколько тусклее. Эта асимметрия исчезает, когда мы видим диск точно лицом к лицу, потому что с этой точки зрения ни один из материалов не движется вдоль линии нашего взгляда.

Ближе всего к черной дыре гравитационное искривление света становится настолько чрезмерным, что мы можем видеть нижнюю часть диска в виде яркого светового кольца, как бы очерчивающего черную дыру. Это так называемое «фотонное кольцо» состоит из нескольких колец, которые становятся все слабее и тоньше, из-за света, который обогнул черную дыру два, три или даже больше раз, прежде чем достичь наших глаз. Поскольку черная дыра, смоделированная в этой визуализации, имеет сферическую форму и не вращается, фотонное кольцо выглядит почти круглым и одинаковым под любым углом обзора. Внутри фотонного кольца находится тень черной дыры, область примерно в два раза больше горизонта событий — ее точка невозврата.

Эта визуализация «инвариантна к массе», что означает, что она может представлять черную дыру любой массы. Размер тени черной дыры пропорционален ее массе, но пропорционален и размеру аккреционного диска, поэтому его свойства масштабируются соответствующим образом.

Симуляции и фильмы, подобные этому, действительно помогают нам визуализировать то, что имел в виду Эйнштейн, когда сказал, что гравитация искажает ткань пространства и времени.

 

Связанные
Для получения дополнительной информации

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-visualization-shows-a-black-hole-s-warped-world

Кредиты

Джереми Шнитман (NASA/GSFC): Ведущий визуализатор
Скотт Виссингер (USRA): Ведущий продюсер
Фрэнсис Редди (Университет Мэриленд Колледж Парк): Ведущий научный писатель
1 Фрэнсис Редди (Университет Мэриленда ) Колледж-Парк): Графика

Пожалуйста, укажите адрес для этого товара:
Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.