К 100-летию со дня рождения Я.Б. Зельдовича
Как создавалась теория дисковой аккреции
ШАКУРА Н.И.,
доктор физико-математических наук ГАИШ МГУ
Стояло лето 1963 г. После выпускных экзаменов в средней школе городского поселка Паричи, что на Гомель-щине, по каким-то делам я поехал в город Бобруйск, зашел в книжный магазин и увидел там книжку «Высшая математика для начинающих» Я.Б. Зельдовича. Естественно, имя автора мне ни о чем не говорило, но содержание книги меня заинтересовало по следующей причине.
В те, теперь уже далекие, времена среднее образование по математике заканчивалось взятием пределов. Им предшествовали элементарные функции, одна из них - парабола. Нужно было найти положение минимума (парабола «рогами» вверх) или максимума (парабола «рогами» вниз). Объясняя, как это делается согласно существующим тогда методикам с использованием формулы Виетта, школьный учитель математики (а также физики и астрономии) Альфред Викторович Барановский приговаривал следующее: «А вот методами высшей математики эти минимаксы вычисляются гораздо быстрее и красивее». Специальных занятий с передовиками школьного процесса Альфред не проводил. Свое индивидуальное развитие в математике я получал, знакомясь с содержимым задач, присылаемых по почте из МГУ.
После покупки книжки я зашел в небольшой уютный скверик на улице Ба-харева и начал ее листать. На первых страницах излагались школьные понятия: функции, графики, скорость, ускорение...
Больше я в книжку Я.Б. Зельдовича не заглядывал, нужно было ехать в Москву сдавать вступительные экзамены в МГУ. Астрономическое отделение я выбрал, уже находясь в комнате приемной комиссии: прошло всего два с небольшим года после полета Ю.А. Гагарина. Но все-таки решающую роль сыграла книжка с названием «Этюды о Вселенной», написанная профессором Б.А. Воронцовым-Вельяминовым. Уже будучи студентом, я слушал лекции Бориса Александровича и, естественно, сдавал ему экзамен. В школе мы учили астрономию по его стандартному учебнику для средней школы «Астрономия». Тогда мне даже в голову не приходило, что пройдет всего два-три года и он будет преподавать мне курс высшей астрономии.
Первые три года обучения прошли без Я.Б.Зельдовича. Более того, я забыл о той, купленной в Бобруйске книжке: в число стандартных университетских учебников она не входила. Она предназначалась для тех, кто постигал высшую математику путем са-
© Шакура Н.И.
Академик Я.Б. Зельдович выступает на семинаре. 1974 г.
мообразования. Академик адресовал ее начинающим инженерам и техникам. Более того, есть замечательное фото, где он дарит двухтомник своих избранных трудов Папе Римскому Павлу-Иоанну II.
Моя научная деятельность началась на третьем курсе в солнечном отделе ГАИШ МГУ. Под руководством Ольги Николаевны Митропольской (жены профессора Соломона Борисовича Пи-кельнера) и Анны Ивановны Кирюхи-ной я изучал механизмы уширения линий поглощения в спектре Солнца.
Когда я учился на третьем курсе, мне посчастливилось увидеть Якова Борисовича. Деканат физического факультета организовал в Большой Физической аудитории встречу студентов факультета с редколлегией журнала
«Успехи физических наук». Сильное впечатление произвел главный редактор, блистательный Эдуард Владимирович Шпольский. Я.Б. Зельдович присутствовал, но не выступал.
Впервые я встретился с академиком лично через год, когда он начал читать лекции для студентов четвертого курса. Осенью 1966 г. мы, студенты астрономического отделения Физического факультета МГУ, обнаружили в расписании занятий новый спецкурс -«Строение и эволюция звезд», который подготовил Я.Б. Зельдович. Лекции читались по пятницам, а по четвергам под руководством ЯБ (так звали его коллеги-ученые) в ГАИШ МГУ проводился Объединенный астрофизический семинар (ОАС). В нем участвовали не только уже сложившиеся ученые, но и
молодежь, недавно получившая высшее образование. Студенты забегали на этот семинар по мере возможности, так как в расписании учебных занятий он не значился. После своей первой лекции Яков Борисович попросил желающих получить у него тему для курсовой работы задержаться. Несколько студентов, в том числе и я, остались в аудитории. Когда очередь дошла до меня, он спросил, присутствовал ли я вчера на заседании ОАС. Я ответил утвердительно. На второй вопрос: прослушал ли я доклад о (таинственных тогда) источниках космического рентгеновского излучения, - ответ тоже был утвердительным. Тогда Я.Б. Зельдович сказал: «Попытайтесь рассчитать структуру и спектр излучения мощной ударной волны, которая возникает в результате падения газа на нейтронную звезду вблизи ее поверхности».
Первые источники космического рентгеновского излучения открыла группа американских ученых, возглавленная профессором Рикардо Джакко-ни, во время запуска 18 июня 1962 г. геофизической ракеты «Аэроби». К началу 1960-х гг. уже был известен один внеземной источник рентгеновского излучения - корона нашего Солнца. Оказалось, что корональный газ какими-то механизмами разогрет до температуры несколько миллионов градусов и светимость солнечной короны в этом диапазоне составляет примерно одну миллионную от оптической светимости Солнца (4х1033 эрг/с). Естественно было предположить, что и вокруг других звезд существуют горячие короны. Однако простой расчет показал, что детекторы тех времен даже короны ближайших звезд с расстояния в несколько парсек зафиксировать не могли. Ученые надеялись на открытие рентгеновского излучения от Луны! Конечно же, Луна не обладает атмосферой. Однако возможный механизм заключался во флюоресцентном свечении лунного грунта, облу-
чаемого рентгеновскими лучами, идущими от солнечной короны. Ракета «Аэроби» достигла высоты 225 км, полет продолжался 350 с. Из трех счетчиков Гейгера с большой площадью и хорошей чувствительностью в диапазоне энергий 1,5-6 кэВ два постоянно функционировали. В этом диапазоне земная атмосфера полностью непрозрачна. Вместо рентгеновского излучения от Луны обнаружили яркий неизвестный ранее источник, находящийся далеко за пределами Солнечной системы в направлении созвездия Скорпиона, получивший название Sco Х-1. В дальнейшем в результате ракетных пусков начали открывать новые рентгеновские источники. Постепенно создавалась карта рентгеновского неба с источниками разной природы, они получали название в соответствии с тем, в направлении какого созвездия находились (например, Cyg Х-1, Cyg Х-2, Her Х-1, Сеп Х-3). Как выяснилось позже, их рентгеновская светимость в тысячи, а то и в десятки тысяч раз превышала оптическую светимость Солнца. Так началась эпоха рентгеновской астрономии, эпоха необычайных открытий во Вселенной.
Осенью 1966 г. спустя несколько недель после начала занятий ко мне подошла ученый секретарь кафедры астрофизики, научный сотрудник ГАИШ Валентина Яковлевна Алдусева, чтобы уточнить тему моей курсовой работы. «Коля, перед вами академик Зельдович поставил задачу разработать модель аккреции», - сказала она. Именно тогда я впервые услышал загадочно прозвучавшее слово «аккреция» и крайне удивился. Ведь академик просил меня рассчитать структуру ударной волны и на первых порах не употреблял в своих беседах со мной этот термин, а в стандартных астрономических курсах тех времен понятие процессов аккреции отсутствовало.
Видя мое замешательство, Валентина Яковлевна предложила мне воспользоваться научной библиотекой
Рентгеновское излучение
Аккрецирующее
Ударная волна
Схема, поясняющая возникновение ударной волны вблизи поверхности аккрецирующей нейтронной звезды.
ГАИШ. Я выяснил, что слово «аккреция» имеет латинское происхождение (аоогеНо) и означает приращение, прибавление чего-либо. В астрономии под термином аккреция подразумевают процессы падения на тяготеющие центры различной природы окружающего их разреженного вещества. Да, тогда, более чем полвека назад, теоретическое изучение процессов аккреции вещества во Вселенной находилось в зачаточном состоянии. Более того, в 1950-х гг. были открыты звездные ветры,
не позволявшие межзвездному веществу падать на поверхность обычных звезд. Причины генерации звездных ветров у разных классов звезд (в том числе и у нашего Солнца) различные, но аккреция на обычные одиночные звезды отсутствует. Иное дело - конечные стадии эволюции звезд: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.
Два типа формирования аккреционных дисков в тесных двойных системах с релятивистскими звездами.
гой - знаменитый американский физик Э. Солпитер. Они обратили внимание на энерговыделение в ударной волне, возникающей при сверхзвуковом движении черной дыры в обширном газовом облаке. Вблизи черной дыры газ после прохождения ударной волны разогревается столь сильно, что начинает излучать энергию в рентгеновском и гамма-диапазоне.
Осенью 1966 г. под руководством Якова Борисовича я начал рассчитывать структуру и спектр излучения сильной ударной волны, которая возникает вблизи поверхности аккрецирующей нейтронной звезды. Сложность задачи состояла в том, что длина пробега падающих частиц до их полной остановки в десятки раз превышает характерный масштаб взаимодействия излучения с веществом. При решении многих задач нет необходимости считать структуру ударной волны - достаточно лишь задать скачок плотности, давления, температуры и других физических величин в зависимости от скорости падения и показателя адиабаты вещества. В поставленной задаче и плотность, и температура, и другие величины менялись в зоне торможения с выделением энергии. Более того, в этой зоне не исключено возникновение коллективных плазменных процессов с выходом расчета на более сложный уровень физической кинетики вместо обычной
гидродинамики. В конце концов удалось показать, что спектры излучения ударных волн от аккрецирующих нейтронных звезд объясняли данные, полученные в результате ракетных запусков.
В 1960-е гг. появились первые отождествления космических рентгеновских источников в оптическом диапазоне, что позволило оценить расстояние до них и их светимость. Нам с ЯБ стало ясн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .
Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»
- СИМБИОТИЧЕСКИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ДВОЙНЫЕ СИСТЕМЫ В ГАЛАКТИКЕ
КУРАНОВ А.Г., ПОСТНОВ К.А. - 2015 г.
- УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ И ЗАМЕТОК, ОПУБЛИКОВАННЫХ В ЖУРНАЛЕ “ЗЕМЛЯ И ВСЕЛЕННАЯ” В 2014 Г
- ДИСКОВЫЙ ВЕТЕР В МОЛОДЫХ ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ И ПРИРОДА ЦИКЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЛОДЫХ ЗВЕЗД
ГРИНИН В.П., СОТНИКОВА Н.Я., ТАМБОВЦЕВА Л.В. - 2004 г.
- ТОЛЩИНА АККРЕЦИОННЫХ -ДИСКОВ: ТЕОРИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ
ЛИПУНОВА Г.В., СУЛЕЙМАНОВ В.Ф., ШАКУРА Н.И. - 2007 г.
Многие модели оптического и рентгеновского излучения квазаров основаны на квазисферической, или дисковой, аккреции на черные дыры (разд. 4). Важным параметром в этих моделях является отношение времени падения ко времени охлаждения Если это отношение значительно больше или значительно меньше единицы, то эффективность высвобождения энергии будет низкой и гравитационная энергия аккрецируемого вещества будет заглатываться дырой в виде кинетической или тепловой энергии. Если то величина может быть большой. Для квазисферической аккреции большая часть падающего газа могла бы иметь форму холодных облаков с низким угловым моментом. Если (в идеальном случае) эти облака сталкиваются очень близко к дыре, где их относительные скорости достигают с, то в облаках будут возникать ударные волны, производящие эффективную диссипацию . (Из наблюдений галактических остатков Сверхновых нам известно, что ударные волны со скоростями с достаточно эффективны для ускорения релятивистских электронов и что результирующие эффективности излучения являются вполне правдоподобными, если этот тип столкновения может произойти в действительности.) Как говорилось выше, при дисковой аккреции также может быть величиной
Неустойчивости, которые являются бедствием для моделей рентгеновских двойных, в полной мере присутствуют и в дисковых моделях квазаров. Самые внутренние области диска, окружающие черную дыру с массой аккрецирующую на эддингтоновском пределе, должны иметь температуры 10в К. Это значит, что отношение давления излучения к газовому давлению (см. разд. 4) велико и что охлаждение в линиях (см., например, ) освобождаемая гравитационная энергия запасается в «короне» над диском. Энергия может быть унесена в виде излучательным или тепловым механизмом управляемого ветра - сдвинутая по масштабу версия солнечного ветра, который уносит большую часть энергии, накопленной в солнечной короне. Были найдены решения подобия, в которых малая часть вещества, аккрецирующего в диске, «принимается» дырой и может генерировать светимость Остальное вещество уносится радиационным давлением. При этом оказывается возможным получать потоки, коллимированные параллельно и антипараллельно спиновой оси.
В альтернативной схеме (см. , а также статью Блэндорфа в книге и приведенные там ссылки) энергия и угловой момент аккрецирующего газа извлекаются электромагнитными скручивающими усилиями, действующими вблизи дыры. Это на самом деле может быть сделано с достаточно высокой эффективностью даже в осесимметричной геометрии. Рассмотрим магнитное поле, внедренное в диск. В первом приближении поле будет «вморожено» в материю, вращающуюся в диске (вследствие огромной электрической проводимости, что подразумевает «идеальное МГД-условие» Ротор этого уравнения подразумевает , что прямо интерпретируется как вмораживание магнитного поля в вещество). Магнитные силовые линии, выходящие из диска и «вмороженные» во вращающуюся в диске материю, будут генерировать электрическое поле, каким бы его видели локально невращающиеся (стационарные) наблюдатели. Это электрическое поле создает электрическую разность потенциалов поперек самых внутренних частей диска и фактически поперек дыры, точно так же, как в диске Фарадея. Эта разность потенциалов будет заставлять токи
течь вдоль магнитных силовых линий из диска, устанавливая магнитосферу вокруг дыры. В конце концов эти токи будут генерировать тороидальную компоненту магнитного поля, так что силовые линии будут сноситься назад движением вещества. Поэтому будет существовать сопротивляющийся момент вращения, действующий на любое вещество вблизи дыры, и это может приводить к переносу углового момента (и энергии) не наружу в плоскости диска (как в обычных моделях с вязкостью), а перпендикулярно диску в виде электромагнитного или гидромагнитного потока Пойнтинга.
Тот же механизм может вести к извлечению спиновой энергии из самой дыры. Из керровской черной дыры с удельным угловым моментом а в принципе можно извлечь долюэнергии (изменяющуюся от 0 до 29% при возрастании а от 0 до М). Однако чтобы это осуществилось на практике, требуются токи, свободно текущие поперек горизонта. Поскольку частицы должны двигаться внутрь на горизонте и могут, по-видимому, двигаться наружу на больших расстояниях, должен существовать какой-то источник зарядов, переносящих ток во внутренней магнитосфере. Он может обеспечиваться разрушением вакуума над горизонтом, как при ударе молнии. Это приводит к тому, что при ожидаемых внутри ядра квазара условиях существуют простые механизмы, способные произвести это разрушение. Это дает альтернативный способ высвобождения значительной части энергии покоя аккрецируемого вещества. На самом деле любой аккрецирующий замагниченный газ будет, по-видимому, нестабильным, так что большая часть энергии будет выделяться скорее во взрывных вспышках . Если бы дыра была достаточно массивна она могла бы притягивать достаточно плотные области скопления, так чтобы обеспечить топливом даже наиболее яркие квазары }
