Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Плоские звезды: аккреция

19.08.2013 Наука и жизнь

Аккреционный диск Аккреционный диск — это структура, которая образуется из вещества, вращающегося около центрального тела — юный звезды либо протозвезды, белого карлика, нейтронной звезды либо черной дыры. Вещество диска под действием гравитации по спирали падает на центральную звезду, наряду с этим происходит разогрев вещества, что порождает электромагнитное излучение, протяженность волны которого зависит от типа звезды.

Диски около молодых звезд и протозвезд излучают в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, а около компактных массивных объектов типа нейтронных чёрных дыр и звёзд — в коротковолновом (рентгеновском).
Полости Роша Полости Роша разграничивают области гравитационного влияния каждого из компаньонов в двойной звездной совокупности. Все, что находится в соответ-ствующей полости, может обращаться лишь около «собственной» звезды.

Перетекать из одной полости в другую вещество может лишь через «горловину», соединяющую полости.
Микроквазар Применяя инструмент Large area Telescope (LAT) космической гамма-обсерватории Fermi, астрологам в 2009 году в первый раз удалось доказать, что микроквазары смогут испускать гамма-излучение высоких энергий, причем за счет не аккреции, а более сложного механизма.Плоские звезды: аккреция

Более большая звезда в двойной совокупности Лебедь X-3 — это звезда Вольфа-Райе с температурой поверхности более 100 000 К. Она и второй компаньон (нейтронная звезда либо черная дыра) с аккреционным диском обращаются около центра масс с периодом около пяти часов. Максимум интенсивности гамма-излучения отмечается, в то время, когда релятивистский компаньон находится с дальней (относительно Земли) стороны большой звезды, — это указывает, что гамма-излучение появляется за счет обратного результата Комптона — рассеяния ультрафиолетовых фотонов звезды на тёплых релятивистских электронах джетов, разогнанных магнитным полем компактного компаньона.

Лебедь X-3 Совокупность Лебедь X-3 является паройиз тёплой массивной звезды и компактного релятивистского объекта (нейтронной звезды либо черной дыры), что выбрасывает джеты — релятивистские струи вещества, излучающего в радиодиапазоне. Астрологи именуют такие объекты микроквазарами, потому, что по своим особенностям — излучение в весьма широком диапазоне, стремительное изменение блеска и радиоизлучающие джеты — они напоминают квазары и блазары с весьма 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, в первый раз найденный во второй половине 60-ых годов двадцатого века как замечательный источник рентгеновского излучения. Более броские точки — это пульсары.

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

И все же в космосе имеется очень много объектов, каковые в полной мере соответствуют столь экстравагантному титулу. Их научное наименование — аккреционные диски. Звезды, подобно людям, предпочитают объединяться в пары — так именуемые двоичные совокупности.

Это столь нередкое явление, что классик американской астрономии Цецилия Пейн-Гапочкин, которая первой доказала, что вещество Вселенной по большей части складывается из водорода, как-то пошутила, что три из двух выбранных наудачу звезд входят в состав какой-нибудь двоичной совокупности.

Сбежать к соседу

Для определенности сперва остановимся на двоичных совокупностях, складывающихся из обычных (другими словами сжигающих водород) звезд основной последовательности, находящихся на орбите единого центра инерции. Каков обычный механизм переноса вещества в достаточно тесной звездной пары? В большинстве случаев, обе звезды порождены одним и тем же молекулярным облаком и потому имеют однообразный состав, но разные начальные веса.

Более тяжелая звезда первой сжигает запасы водорода, теряет стабильность, многократно возрастает в размере и преобразовывается в красный гигант. Наряду с этим она может не только заполнить собственную полость Роша, но и выйти за ее пределы. При таких условиях центр звезды уже не сможет удержать своим тяготением вещество раздувшейся оболочки, и звезда начнет терять вещество.

Большая часть этого газа пройдет через горловину на стыке полостей Роша и попадет в гравитационный плен к звезде-компаньонке. Из-за исхудания звезды-донора ее полость Роша будет стягиваться, почему скорость утечки вещества со временем увеличится. Кроме того в то время, когда сравняются массы звезд, утечка лишь замедлится, но не закончится вовсе.

Перенос вещества знаменует начало сложной эволюции звездной пары. Вторая (менее массивная) звезда захватывает материю соседки и увеличивает собственный угловой момент. Дабы сохранить суммарный момент двоичной совокупности, звезды сближаются. Позднее, в то время, когда первая звезда делается легче компаньонки, они начинают расходиться — снова же в силу сохранения неспециализированного углового момента.

Но в случае если вторая звезда успеет выйти за границы собственной полости Роша, она также окажется обречена на утрату плазмы.

Эти превращения чреваты разными финалами, и астрологи пока не могут их совершенно верно моделировать. Но не подлежит сомнению, что часть выкинутой материи выходит на орбиты, полностью окружающие звездную несколько. Значительно чаще эта материя образует плоское вращающееся кольцо, которое именуется диском экскреции (от лат. excretio — «выделение»). В особенных событиях звездная пара может кроме того утонуть в шарообразном газовом облаке, порожденном ушедшей в пространство плазмой.

Вто же время любая звезда имеет шансы обзавестись своим собственным колечком мельче и поплотнее — аккреционным диском (accretio, «прирост»). Вероятны и более экзотические сценарии (такие как слияние и столкновение звезд либо же съедение соседки более большой звездой), но в такие дебри мы не станем кроме того заглядывать.

До сих пор обращение шла о обычных звездных парах, но для запуска аккреции достаточно, дабы всего один партнер владел газовой оболочкой, талантливой раздуваться и уходить через горловину полости Роша. Исходя из этого аккреция появляется, и в то время, когда двоичная совокупность объединяет простую звезду с телом из вырожденной материи, другими словами белым карликом, либо нейтронной звездой, либо кроме того с черной дырой (исторически аккреционные диски в первый раз нашли при наблюдении белых карликов, имеющих в компаньонах простые звезды).

Более того, как раз такие аккреционные процессы имеют самые эффектные последствия. Хорошие примеры — взрыв сверхновой типа Iа, обусловленный долгой аккрецией на поверхность белого карлика, практически достигшего верхнего предела собственной массы, и происхождение рентгеновского пульсара, вызванное аккрецией на очень сильно намагниченную нейтронную звезду. Однако аккреционные диски в совокупностях простых двойных звезд более обычны — хотя бы вследствие того что таких пар значительно больше.

Центрами аккреции могут быть и одиночные космические объекты. Любое тело, окруженное газовой либо газопылевой средой, притягивает ее частицы, и они смогут или на его поверхность, или вырабатывать аккреционный диск (что с успехом делают юные звезды, сравнительно не так давно сформировавшиеся из газопылевых туч). Но все же самые интересные феномены наблюдаются в аккреционных дисках, появившихся в тесных двоичных совокупностях.

Полости Роша

Любая звезда окружена областью пространства, где господствует ее собственное притяжение, а не гравитация соседки. Размер данной территории, конечно, зависит от массы звезды. В случае если такие области пересечь плоскостью, в которой движутся оба светила, окажется что-то наподобие восьмерки — две вытянутые в линию петельки с единственной неспециализированной точкой на отрезке, соединяющем звездные центры (для большей наглядности нужно будет остановить время, поскольку эта фигура вращается).

В данной точке любая из звезд тянет в собственную сторону с однообразной силой, и суммарный вектор гравитации выясняется равным нулю. Ее именуют первой точкой Лагранжа, не смотря на то, что вообще-то двумя десятками лет ранее ее распознал Леонард Эйлер.

Пространственные пузыри, о которых идет обращение, математически обрисовал Эдуард Рош, математик и французский астроном XIX века, и в его честь их именуют полостями Роша. Космические частицы в полости Роша смогут вращаться только около той звезды, которую эта полость охватывает. Эта же теория говорит, что вещество может перетекать между звездами через горловину, соединяющую полости, другими словами через окрестности первой точки Лагранжа.

Материя, которая находится вне полостей, может стабильно обращаться около звездной пары в целом, но ее траектории не ограничиваются дорогами, охватывающими одну-единственную звезду.

Вся сила в трении

Природа, как мы знаем, сложнее всякой теории. Потерянная звездой-донором материя может мигрировать не только через узкое сопло на стыке полостей Роша, но и более сложным методом, но в любом случае не покидает орбитальной плоскости двоичной совокупности. Аккреционные диски появляются тем легче, чем меньше расстояние между космическими компаньонами и геометрический размер тела, к которому движутся плазменные потоки.

Это легко понять — члены пары вращаются приятель около приятеля, и у частиц больше шансов не упасть на малую цель, а выйти на охватывающую ее орбиту. Исходя из этого аккреция на белые карлики, чёрные дыры и нейтронные звёзды- самый действенный механизм дискообразования. Дело это не стремительное, годовая скорость транспорта вещества от звезды-донора не превышает миллиардной доли солнечной массы.

Сперва «принимающее» тело обзаводится свитой в виде узкого кольца, а диск формируется позднее.

Частицы в него имеют различные скорости, каковые, в соответствии с третьим законом Кеплера, возрастают по мере приближения к центральному телу (как раз исходя из этого Меркурий обращается около Солнца стремительнее, нежели Почва). В следствии в веществе диска появляется внутреннее трение, которое гасит кинетическую энергию частиц и заставляет их двигаться по спиральным траекториям.

Кое-какие частицы в итоге падают на поверхность притягивающего объекта, будь то воздух простой звезды, жёсткая корка звезды нейтронной либо горизонт событий черной дыры. Так что диск непрерывно теряет вещество, но одновременно с этим непрерывно приобретает новое от звезды-донора.

Это же трение нагревает вещество диска и превращает его в источник электромагнитного излучения. Диск делается светящимся объектом — фигурально говоря, плоской звездой. В максимуме температура внутренней территории диска может составлять десятки миллионов градусов.

Этого хватит для генерации рентгеновских квантов, что и происходит в дисках около чёрных дыр и нейтронных звёзд звездной массы. Центральная территория для того чтобы диска светит ультрафиолетом, а внешняя, чья температура в большинстве случаев не превышает температуры солнечной поверхности, испускает лучи видимого спектра. В большинстве случаев, диски около белых карликов не нагреваются более чем до 20 000 градусов иих спектр не простирается дальше ультрафиолетовой территории.

Самые холодные аккреционные диски, окружающие протозвезды и юные звезды, способны генерировать только инфракрасное излучение. Так, по ширине спектра излучения плоские звезды не уступают простым.

Мысль фрикционного (обусловленного трением) нагрева диска выглядит несложной и естественной, но это всего лишь видимость. Подобный нагрев нельзя объяснить несложным столкновением газовых молекул — в этом случае температуры в диска будут большое количество ниже замечаемых в конечном итоге. До тех пор пока его механизмы понятны только в общем, но, как говорится, сатана прячется в подробностях.

Одна из очень популярных сейчас теорий растолковывает генерацию тепла происхождением магнитно-ротационной нестабильности — турбулентных вихревых потоков, связанных магнитными полями. Так ли это, еще предстоит узнать.

Живой и светится

Аккреционные диски постоянно удивляютастрологов. Доктор наук Техасского университета Крейг Уилер как-то подчернул, что они живут собственной судьбой. Аккреционный диск способен изменять светимость, причем в очень широких пределах. Это не универсальное правило — кое-какие диски стабильно излучают электромагнитную энергию, а кое-какие вспыхивают только иногда.

Именно такое поведение характерно для дисков, окружающих компактные объекты — белые карлики, чёрные дыры и нейтронные звёзды.

самая типичная (но отнюдь не единственная) обстоятельство таких вспышек пребывает в том, что интенсивность фрикционного нагрева диска в значительной степени зависит от его температуры. При нагреве не выше нескольких тысяч градусов вещество диска прозрачно для инфракрасного излучения и скоро теряет тепло. В этих условиях трение достаточно не сильный, частицы диска не особенно тормозятся и в большинстве остаются на стабильных орбитах, не стягивающихся к центру аккреции.

Но температура диска определяется кроме этого его плотностью, которая связана с темпом поступления вещества от звезды-донора. Если она подпитывает диск достаточно щедро, плотность его вещества растет, диск неспешно теряет прозрачность и все лучше удерживает тепло. Потому, что он наряду с этим нагревается, прозрачность еще посильнее значительно уменьшается, и это снова же подхлестывает рост температуры.

Вещество делается весьма горячим, начинает ярко светиться, излучая все больше коротковолновых фотонов. Диск вспыхивает, подобно переменной звезде, скоро увеличивая блеск до разрешенного природой максимума.

А после этого снова вмешивается трение. Оно делается таким большим, что тормозит молекулы во внешней части аккреционного диска. Они теряют скорость и мигрируют к центру диска, благодаря чего периферийная территория делается более разреженной и посему прозрачной для радиации.

Процесс поворачивается в обратную сторону — диск теряет тепло с внешнего края, охлаждается, делается прозрачней и охлаждается еще посильнее. В итоге температура всего диска понижается так, что он снова преобразовывается в источник одного только инфракрасного излучения. Потому, что аккреция со звезды-донора не заканчивается, диск начинает греться — и цикл повторяется заново.

Конечно, что такие циклы разны для различных дисков — все зависит от конкретных условий. Длительность холодной стадии может изменяться в широких пределах — от недель до десятков лет. В данной фазе диск фактически невидим, разве что уж весьма упорно приглядываться к нему посредством инфракрасной аппаратуры.

Продолжительность тёплой фазы и высокой яркости диска в среднем вдесятеро меньше. Исходя из этого втесной двойной совокупности обычный аккреционный диск в каком-то смысле ведет себя подобно электрическому конденсатору, что продолжительно копит энергию и позже скоро разряжается. Примечательно, что кроме того в случае если звезда-донор поставляет вещество с постоянной скоростью, диск все равно иногда мигает и меркнет.

Как и сердце красивые женщины, он склонен если не к измене, то к перемене.

катаклизмы и Диски

Для иллюстрации богатых возможностей аккреционных дисков разглядим широкий класс космических объектов, объединенных неспециализированным заглавием «катаклизмические переменные». Это тесные двоичные совокупности, складывающиеся из звезды основной последовательности (в большинстве случаев из самых легких, но иногда и красного гиганта) и белого карлика. Они проявляют себя очень нестабильным излучением (из этого и наименование), которое внемалой степени обусловлено наличием аккреционного диска.

Фактически все катаклизмические переменные испускают свет и тепло не только из срединных и центральных территорий аккреционных дисков, но и из области на стыке горловины полости Роша и внешнего края диска. Ее именуют горячим пятном — и имеется за что. Газовые частицы, приходящие от звезды-донора, на этом месте сталкиваются с материей аккреционного диска и очень сильно ее нагревают.

Светимость тёплого пятна может превосходить светимость внутренних территорий диска, не смотря на то, что размер его намного меньше.

Известно пара разновидностей катаклизмических переменных. К одной из них относятся хорошие новые звезды (либо легко новые). В этих совокупностях вещество аккреционного диска в изобилии падает на поверхность белого карлика со скоростью около тысячи километров в секунду. Более 90 процентов этого вещества складывается из водорода и исходя из этого может служить топливом для термоядерных реакций.

Для их запуска нужно, дабы водород разогрелся до критической температуры порядка 10 млн градусов. Потому, что эти реакции интенсивно выделяют энергию, на поверхности белого карлика появляются ударные волны, каковые практически взрывают его внешний слой и выбрасывают сверхгорячую плазму в окружающее пространство. Сейчас светимость совокупности возрастает на 3−6 порядков.

По завершении вспышки белый карлик принимается копить на поверхности новый запас водорода — горючее для очередного взрыва. В соответствии с теории, хорошие новые смогут загораться с промежутком в 10000 лет, но до сих пор этого еще не замечали (что и неудивительно — история астрономии существенно меньше).

Второй вид катаклизмических переменных — повторные новые. Они увеличивают яркость значительно скромнее, максимум в тысячу раз, но вспыхивают каждые 10−100 лет. Механизм таких вспышек до тех пор пока точно не известен.

Имеется еще карликовые новые, светимость которых возрастает только в десять раз в течение недель либо месяцев. Нельзя исключать, что это обусловлено фрикционным перегревом аккреционного диска, но такое объяснение не в полной мере общепринято.

Окольцевать черную дыру

Самые громадные аккреционные диски имеются у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Главным источником материи для таких дисков помогают тёплые юные звезды, чье излучение деятельно выбрасывает в пространство плазму с внешних оболочек (это явление именуют звездным ветром).

Как поведал «ПМ» доктор наук астрономии Мичиганского университета Джон Миллер, эти диски нагреваются приблизительно до таких же температур, что и диски около белых карликов, и исходя из этого по большей части генерируют ультрафиолетовое излучение. Это может показаться необычным, потому, что вес самих дыр образовывает миллиарды и миллионы солнечных весов. Но дело в следующем: поверхность аналогичного диска столь широка, что скоро излучает тепло — по той же причине чай в блюдечке стынет большое количество стремительнее, нежели в чашке.

«За последние годы достигнут большой прогресс в изучении потоков частиц в аккреционных дисках, окружающих черные дыры разного калибра, — говорит доктор наук Миллер. — Внутренние края таких дисков смогут так приблизиться к границе черной дыры, что попадут в области, где уже трудится неспециализированная теория относительности. Спектральный анализ исходящего оттуда излучения обещает много увлекательного. Аккреционный диск может служить своеобразным индикатором вращения черной дыры.

Теория говорит, что внутренний край диска обязан подойти к горизонту событий вращающейся дыры ближе, чем к горизонту дыры той же массы с нулевым угловым моментом. Уже имеется устройства, талантливые найти данный эффект и тем самым распознать вращение черной дыры. В полной мере быть может, в скором времени это удастся».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№100, февраль 2011).

Случайные записи:

★Можно ли накачать попу, если от природы ее нет?


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,