Al 100 aniversario del nacimiento de Ya.B. Zeldovich
Cómo se creó la teoría de la acreción del disco
SHAKURA N.I.,
Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas GAISH MSU
Era el verano de 1963. Después de los exámenes finales en la escuela secundaria del pueblo urbano de Parichi, en la región de Gomel, por algún negocio fui a la ciudad de Bobruisk, fui a una librería y vi allí el libro “Matemáticas superiores para principiantes ”de Ya.B. Zeldovich. Naturalmente, el nombre del autor no significó nada para mí, pero el contenido del libro me interesó por la siguiente razón.
En aquellos tiempos ahora lejanos, la educación secundaria en matemáticas terminó con la toma de límites. Fueron precedidos por funciones elementales, una de las cuales es una parábola. Era necesario encontrar la posición del mínimo (parábola con "cuernos" hacia arriba) o máxima (parábola con "cuernos" hacia abajo). Al explicar cómo se hace esto de acuerdo con los métodos existentes en ese momento utilizando la fórmula de Vietta, el maestro de matemáticas de la escuela (así como física y astronomía) Alfred Viktorovich Baranovsky dijo lo siguiente: "Pero por los métodos de las matemáticas superiores, estos minimaxes se calculan mucho más rápido y más hermoso ". Alfred no impartió clases especiales con los líderes del proceso escolar. Recibí mi desarrollo individual en matemáticas al familiarizarme con el contenido de los problemas enviados por correo desde la Universidad Estatal de Moscú.
Después de comprar el libro, entré en un pequeño y acogedor parque en la calle Ba-khareva y comencé a hojearlo. Las primeras páginas esbozaban conceptos escolares: funciones, horarios, velocidad, aceleración ...
Más estoy en el libro de Ya.B. Zeldovich no vino, tuvo que ir a Moscú para aprobar los exámenes de ingreso en la Universidad Estatal de Moscú. Elegí el departamento de astronomía cuando ya estaba en la oficina de admisiones: solo han pasado poco más de dos años desde que Yu.A. Gagarin. Aún así, el papel decisivo lo jugó un libro titulado "Estudios del Universo", escrito por el profesor BA. Vorontsov-Velyaminov. Como estudiante, escuché las conferencias de Boris Alexandrovich y, naturalmente, le aprobé un examen. En la escuela enseñamos astronomía de su libro de texto estándar de secundaria, Astronomía. Ni siquiera se me ocurrió entonces que solo pasarían dos o tres años y él me impartiría un curso de astronomía superior.
Los primeros tres años de entrenamiento pasaron sin Ya.B. Zeldovich. Además, me olvidé del libro que compré en Bobruisk: no estaba incluido en los libros de texto universitarios estándar. Estaba destinado a aquellos que comprenden matemáticas superiores por sí mismos.
© Shakura N.I.
Académico Y.B. Zeldovich habla en el seminario. 1974 año
educación. El académico lo dirigió a ingenieros y técnicos novatos. Además, hay una foto maravillosa donde presenta una edición en dos volúmenes de sus obras seleccionadas al Papa Pablo-Juan II.
Mi carrera científica comenzó en mi tercer año en el departamento de energía solar de la EFS de la Universidad Estatal de Moscú. Bajo la dirección de Olga Nikolaevna Mitropolskaya (esposa del profesor Solomon Borisovich Pi-kellner) y Anna Ivanovna Kiryukhina, estudié los mecanismos de ampliación de las líneas de absorción en el espectro solar.
Cuando estaba en mi tercer año, tuve la suerte de ver a Yakov Borisovich. La decana de la Facultad de Física organizó un encuentro de los alumnos de la facultad con el consejo editorial de la revista en el Gran Auditorio Físico
"Avances en Ciencias Físicas". El editor en jefe, el brillante Eduard Vladimirovich Shpolsky, causó una fuerte impresión. ME GUSTARÍA. Zeldovich estaba presente, pero no habló.
La primera vez que conocí al académico en persona fue un año después, cuando comenzó a dar conferencias para estudiantes de cuarto año. En el otoño de 1966, nosotros, los estudiantes del Departamento de Astronomía de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú, descubrimos un nuevo curso especial en el programa de clases: "La estructura y evolución de las estrellas", que fue preparado por Ya.B. Zeldovich. Los viernes y los jueves, bajo la dirección de YaB (como lo llamaban sus colegas científicos), se llevó a cabo el Seminario Conjunto de Astrofísica (OEA) en la Universidad Estatal de Astrofísica de Moscú. Asistieron no solo científicos establecidos, sino también
jóvenes recién egresados de la educación superior. Los estudiantes acudieron a este seminario siempre que fue posible, ya que no figuraba en el calendario de sesiones de formación. Después de su primera conferencia, Yakov Borisovich pidió a quienes deseaban obtener un tema de él para un trabajo final que se quedaran hasta tarde. Varios estudiantes, incluido yo mismo, permanecimos en el aula. Cuando fue mi turno, me preguntó si estaba presente en la reunión de SLA ayer. Respondí afirmativamente. Sobre la segunda pregunta: si escuché el informe sobre las (entonces misteriosas) fuentes de radiación de rayos X cósmicos, la respuesta también fue afirmativa. Entonces Ya.B. Zeldovich dijo: "Trate de calcular la estructura y el espectro de emisión de una poderosa onda de choque que ocurre como resultado de la caída de gas sobre una estrella de neutrones cerca de su superficie".
Las primeras fuentes de radiación de rayos X cósmicos fueron descubiertas por un grupo de científicos estadounidenses, encabezados por el profesor Ricardo Giacco-ni, durante el lanzamiento del cohete geofísico Aerobi el 18 de junio de 1962. A principios de la década de 1960. ya se conocía una fuente extraterrestre de radiación de rayos X: la corona de nuestro Sol. Resultó que el gas coronal se calentó mediante algunos mecanismos a una temperatura de varios millones de grados y la luminosidad de la corona solar en este rango es aproximadamente una millonésima parte de la luminosidad óptica del Sol (4x1033 erg / s). Era natural suponer que también existen coronas calientes alrededor de otras estrellas. Sin embargo, un simple cálculo mostró que los detectores de esos tiempos no podían registrar ni siquiera la corona de las estrellas más cercanas desde una distancia de varios parsecs. ¡Los científicos esperaban el descubrimiento de rayos X de la luna! Por supuesto, la Luna no tiene atmósfera. Sin embargo, un posible mecanismo consistía en el resplandor fluorescente del suelo lunar, irradiado
esperado por los rayos X procedentes de la corona solar. El cohete Aerobi alcanzó una altitud de 225 km, el vuelo duró 350 s. De los tres contadores Geiger con un área grande y buena sensibilidad en el rango de energía de 1.5-6 keV, dos estaban operando constantemente. En este rango, la atmósfera terrestre es completamente opaca. En lugar de rayos X de la Luna, descubrieron una fuente brillante previamente desconocida ubicada mucho más allá del sistema solar en la dirección de la constelación de Escorpio, apodada Sco X-1. Posteriormente, como resultado de los lanzamientos de cohetes, se empezaron a descubrir nuevas fuentes de rayos X. Poco a poco, se creó un mapa del cielo de rayos X con fuentes de diferente naturaleza, se nombraron de acuerdo con la dirección de la constelación en la que se encontraban (por ejemplo, Cyg X-1, Cyg X-2, Her X-1, Cep X-3). Como resultó más tarde, su luminosidad de rayos X era miles, o incluso decenas de miles de veces mayor que la luminosidad óptica del Sol. Así comenzó la era de la astronomía de rayos X, la era de los descubrimientos extraordinarios en el Universo.
En el otoño de 1966, unas semanas después del inicio de las clases, Valentina Yakovlevna Alduseva, secretaria científica del Departamento de Astrofísica, investigadora de la SAI, se acercó a mí para aclarar el tema de mi trabajo final. "Kolya, el académico Zeldovich le ha encomendado la tarea de desarrollar un modelo de acreción", dijo. Fue entonces cuando escuché por primera vez la palabra "acreción" que sonaba misteriosamente y me sorprendió mucho. Después de todo, el académico me pidió que calcule la estructura de la onda de choque y al principio no usó este término en sus conversaciones conmigo, y en los cursos astronómicos estándar de esa época, el concepto de procesos de acreción estaba ausente.
Al ver mi confusión, Valentina Yakovlevna me invitó a usar la biblioteca científica.
Radiación de rayos X
Acrecentar
Onda de choque
Diagrama que explica la aparición de una onda de choque cerca de la superficie de una estrella de neutrones en crecimiento.
GAISH. Descubrí que la palabra "acreción" es de origen latino (aoogeHo) y significa incremento, agregando algo. En astronomía, el término acreción significa los procesos de caída sobre centros gravitantes de diversas naturalezas de la materia enrarecida que los rodea. Sí, entonces, hace más de medio siglo, el estudio teórico de los procesos de acumulación de materia en el Universo estaba en su infancia. Además, en la década de 1950. se descubrieron los vientos estelares,
evitar que la materia interestelar caiga sobre la superficie de las estrellas ordinarias. Las razones de la generación de vientos estelares en diferentes clases de estrellas (incluido nuestro Sol) son diferentes, pero no hay acreción en las estrellas individuales ordinarias. Las etapas finales de la evolución estelar son un asunto diferente: enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros.
Dos tipos de formación de discos de acreción en binarios cercanos con estrellas relativistas.
goy, el famoso físico estadounidense E. Salpeter. Llamaron la atención sobre la liberación de energía en la onda de choque que surge del movimiento supersónico de un agujero negro en una extensa nube de gas. Cerca del agujero negro, después del paso de la onda de choque, el gas se calienta tanto que comienza a emitir energía en los rangos de rayos X y gamma.
En el otoño de 1966, bajo la dirección de Yakov Borisovich, comencé a calcular la estructura y el espectro de emisión de una fuerte onda de choque que surge cerca de la superficie de una estrella de neutrones en crecimiento. La complejidad del problema radicaba en que la longitud de la trayectoria de las partículas incidentes hasta su parada completa es decenas de veces mayor que la escala característica de interacción de la radiación con la materia. Al resolver muchos problemas, no es necesario considerar la estructura de la onda de choque; basta con establecer el salto en densidad, presión, temperatura y otras cantidades físicas según la velocidad de caída y el exponente adiabático de la sustancia. En la tarea en cuestión, tanto la densidad como la temperatura y otras cantidades variaron en la zona de desaceleración con la liberación de energía. Además, en esta zona no se excluye la aparición de procesos plasmáticos colectivos, alcanzando el cálculo un nivel de cinética física más complejo en lugar del habitual
hidrodinámica. Finalmente, se demostró que los espectros de emisión de ondas de choque de las estrellas de neutrones en acumulación explicaban los datos obtenidos como resultado de los lanzamientos de cohetes.
En los años 1960. Aparecieron las primeras identificaciones de fuentes de rayos X cósmicos en el rango óptico, lo que permitió estimar la distancia a ellas y su luminosidad. YaB y me aclaro
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Muchos modelos de emisión óptica y de rayos X de cuásares se basan en la acreción cuasi esférica o en disco en los agujeros negros (Sección 4). Un parámetro importante en estos modelos es la relación entre el tiempo de caída y el tiempo de enfriamiento; si esta relación es mucho mayor o mucho menor que la unidad, entonces la eficiencia de la liberación de energía será baja y la energía gravitacional de la materia acretada será absorbida. por el agujero en forma de energía cinética o térmica. Si ese valor puede ser grande. Para la acreción cuasi esférica, la mayor parte del gas incidente podría estar en forma de nubes frías con un momento angular bajo. Si (idealmente) estas nubes chocan muy cerca del agujero, donde sus velocidades relativas alcanzan c, entonces surgirán ondas de choque en las nubes, produciendo una disipación efectiva. (Sabemos por las observaciones de los remanentes de la supernova galáctica que las ondas de choque con velocidades c son lo suficientemente eficientes para acelerar los electrones relativistas y que las eficiencias de radiación resultantes son bastante plausibles si este tipo de colisión realmente pudiera ocurrir). Como se discutió anteriormente, la acreción del disco también puede ocurrir. Talla
Las inestabilidades, que son un desastre para los binarios de rayos X, también están plenamente presentes en los modelos de disco de los cuásares. Las regiones más internas del disco que rodean un agujero negro con una masa acumulada en el límite de Eddington deben tener temperaturas de 10 V K. Esto significa que la relación entre la presión de radiación y la presión del gas (ver Sección 4) es grande y que el enfriamiento en el líneas (ver, por ejemplo,) la energía gravitacional liberada se almacena en la "corona" sobre el disco. La energía se puede transportar en forma de un mecanismo de viento impulsado por radiación o térmica, una versión del viento solar con cambio de escala que se lleva la mayor parte de la energía almacenada en la corona solar. Se encontraron soluciones de similitud, en las que una pequeña parte de la materia que se acumula en el disco es "tomada" por el agujero y puede generar luminosidad, mientras que el resto de la materia es arrastrada por la presión de la radiación. En este caso, es posible obtener flujos colimados paralelos y antiparalelos al eje de giro.
En un esquema alternativo (ver, así como el artículo de Blendorf en el libro y las referencias en el mismo), la energía y el momento angular del gas de acreción son extraídos por fuerzas de torsión electromagnéticas que actúan cerca del agujero. De hecho, esto se puede hacer con una eficiencia bastante alta incluso en geometría axisimétrica. Considere un campo magnético incrustado en un disco. En la primera aproximación, el campo se “congelará” en la materia que gira en el disco (debido a la enorme conductividad eléctrica, lo que implica la “condición ideal de MHD”. El rotor de esta ecuación implica que se interpreta directamente como la congelación del campo magnético en la materia). Las líneas magnéticas de fuerza que emergen del disco y se "congelan" en la materia que gira en el disco generarán un campo eléctrico, como lo verían los observadores localmente no giratorios (estacionarios). Este campo eléctrico crea una diferencia de potencial eléctrico en las partes más internas del disco y en realidad a través del orificio, al igual que en el disco de Faraday. Esta diferencia de potencial forzará corrientes
fluyen a lo largo de las líneas magnéticas de fuerza del disco, estableciendo una magnetosfera alrededor del agujero. Eventualmente, estas corrientes generarán un componente toroidal del campo magnético, de modo que las líneas de fuerza serán rechazadas por el movimiento de la materia. Por lo tanto, habrá un momento de rotación resistente que actuará sobre cualquier sustancia cercana al agujero, y esto puede conducir a la transferencia de momento angular (y energía) no hacia afuera en el plano del disco (como en los modelos convencionales con viscosidad), sino perpendicular al disco en forma de flujo de Poynting electromagnético o hidromagnético ...
El mismo mecanismo puede conducir a la extracción de energía de giro del propio agujero. De un agujero negro de Kerr con un momento angular específico a, en principio, es posible extraer una fracción de la energía (variando de 0 a 29% a medida que aumenta de 0 a M). Sin embargo, para que esto se realice en la práctica, se requieren corrientes que fluyan libremente a través del horizonte. Dado que las partículas deben moverse hacia adentro en el horizonte y aparentemente pueden moverse hacia afuera a grandes distancias, debe haber alguna fuente de cargas que transporten corriente en la magnetosfera interna. Puede proporcionarse rompiendo el vacío sobre el horizonte, como en un rayo. Esto lleva a que bajo las condiciones esperadas dentro del núcleo del quásar, existen mecanismos simples capaces de producir esta destrucción. Esto proporciona una forma alternativa de liberar una parte significativa de la energía restante de la materia acumulada. De hecho, cualquier gas magnetizado acumulado parecería inestable, por lo que la mayor parte de la energía se liberaría en lugar de llamaradas explosivas. Si el agujero fuera lo suficientemente masivo, podría atraer regiones lo suficientemente densas del cúmulo como para proporcionar combustible incluso a los cuásares más brillantes)
