Astronet Астронет: К. А. Постнов/ГАИШ Лекции по Общей Астрофизике для Физиков
http://variable-stars.ru/db/msg/1170612/9lec/html/node5.html
Лекции по Общей Астрофизике для Физиков
<< 2.2 Механизмы активности галактических 2.4 Приливное разрушение звезд >>

Subsections

2.3 Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.

Возникновение массивных черных дыр в центрах галактик следует из общих эволюционных соображений, которые мы за отстутствием места не обсуждаем. В 1997 г. в центрах примерно 10 галактик наблюдаются сверхмассивные черные дыры:

M87 -

NGC 3115 -

NGC 4486 -

NGC 4594 (Sombrero) -

NGC 3377 -

NGC 3379 -

NGC 4258 -

M31 (Andromeda) -

M32 -

Массы черных дыр определены из наблюдений движения звезд и газа в центре галактик с помощью космического телескопа им. Хаббла (движения звезд вблизи черной дыры подчиняются теореме вириала 2<Ek>+<U>=0, U=-GMbh/r, откуда дисперсия скоростей звезд или круговая скорость вращения газа на расстоянии r от центра галактики . Определяя по эффекту Допплера скорости на угловом расстоянии от центра галактики и зная расстояние до галактики, получаем оценку массы центральной черной дыры.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики порядка также определена по прецизионному измерению движения отдельных звезд (т.к. центр Галактики непрозрачен в оптических лучах, измерения проводились в ИК-диапазоне).

2.3.1 Эффективность аккреции вещества на черные дыры

Как известно, черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой M (Шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса J (Керровская черная дыра) и элкектрическим зарядом Q (черная дыра Керра-Ньюмана). Горизонт событий Шварцшильдовской черной дыры (т.н. гравитационный или Шварцшильдовский радиус)

(1)

Из-за малости гравитационного радиуса даже для массы Солнца черные дыры относятся к компактным звездам (хотя конечно буквально звездами-то они и не являются, поэтому правильнее говорить о компактных релятивистских объектах).

В Ньютоновском приближении при падении вещества на тяготеющее тело массы M с радиусом R на грамм вещества выделяется гравитационная энергия

(2)

(здесь мы пренебрегли начальной потенциальной и кинетической энергией на удаленном расстоянии от тяготеющего центра). Если темп аккреции (грамм в секунду) , то мощность выделяемой энергии
(3)

где - эффективность энерговыделения на грамм вещества.

Если у тела есть поверхность (например, звезда), гравитационная энергия выделяется при ударе от поверхность. Но у черной дыры нет поверхности - чтобы выделилась гравитационная энергия, требуются специальные режимы падения. Например, при строгом сферически- симметричном режиме падения на черную дыру эффективность энерговыделеняи полностью определяется физическими условиями в падающей плазме (плотность, температура, магнитное поле) и как правило очень низка, . В реальных астрофизических условиях плазма как правило обладает отличным от нуля моментом импульса , поэтому при движении в поле тяготеющего тела появляется центробежный барьер, . Для его преодоления вещество должно отдать момент импульса. Для этого необходимо, чтобы (1) газ в диске вращался дифференциально и (2) существовал эффективный механизм вязкости между соседними слоями. Певое требование автоматически выполняется практически всегда, т.к. пробная частица с ненулевым моментом импульса движется в поле тяготения по кеплеровской орбите. Для движения по круговой Кеплеровской орбите с радиусом r тангенциальная скорость , круговая частота , поэтому возникают отличные от нуля сдвиговые напряжения . Если коэффициент динамической вязкости отличен от нуля, то возникают вязкие напряжения (т.е. сила трения, действующая на единицу площади) . По теореме из механики отличный от нуля момент вязких сил, действующих на кольцо радиуса r, приводит к изменению его момента импульса. Механизм вязкости в аккреционных дисках окончательно не выяснен, однако наиболее вероятно, что вязкость связана с турбулентными движениями плазмы в дифференциально вращающемся газовом диске.

Таким образом, при наличии вязкости момент импульса передается вязкими напряжениями по радиусу вдоль диска наружу, при этом вещество начинает медленно приближаться к центральному телу. Из-за сил трения газ разогревается до высоких температур, и освобождаемая гравитационная энергия перерабатывается в электромагнитное излучение. Такие диски (с вязкостью, в отличие, например, от колец Сатурна) называются аккреционными. Они возникают в двойных звездных системах при перетекании вещества с одной звезды на другую (такие явления возможны при эволюционном расширении одной из звезд). Аккреционые диски также могут образоваться вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики или квазара. Вещество для диска поставляется звездами, разрушающимися приливными силами при пролетах вблизи черной дыры. Поскольку момент импульса звезд относительно черной дыры ненулевой (особенно в спиральных галактиках), вещество образует диск (в настоящее время газо-пылевые диски малых размеров в ядрах галактик непосредственно наблюдаются в оптическом и ИК-диапазонах с борта космического телескопа им. Хаббла и крупными наземными телескопами).

Полная светимость аккреционного диска не зависит от механизма вязкости и определяется граничными условиями - темпом втекания вещества в диск, , радиусом внутренней границы диска Ri и значением удельного момента импульса на внутренней границе1. Если вещество в диске движется по Кеплеровским орбитам вплоть до самой внутренней границы, его полная светимость

(4)

т.е. равна ровно половине выделяемой гравитационной энергии (другая половина идет на увеличение кинетической энергии движения чатсиц, в соответствии с теоремой вириала). Другими словами можно сказать, что светимость диска на грамм вещества в точности равна гравитационной энергии связи на внутренней границе. Действительно, в ньютоновском случае эта энергия есть . При аккреции на черную дыру внутренний радиус диска определяется последней устойчивой Кеплеровской орбитой2. Это означает, что при меньших расстояниях до тяготеющего центра орбита перестает быть замкнутой и пробная частица падает на тяготеющий центр за время свободного падения. В случае невращающейся черной дыры, описывающейся метрикой Шварцшильда в ОТО, Ri=3Rg, где Rg=2GM/c2 - гравитационный радиус. Для черных дыр с отличным от нуля моментом импульса радиус устойчивой орбиты в кваториальной плоскости меньше трех грав. радиусов и приближается к 3/2 Rg для предельно вращающейся Керровской черной дыры.

Энерговыделение в диске часто записывают в виде

(5)

где - эффективность переработки энергии покоя в электромагнитную. В аккреционных дисках эта величина рекордно высока: при аккреции на Шварцшильдовскую черную дыру или на нейтронную звезду солнечной масcы с радиусом около 10 км, и достигает при аккреции на керровскую предельно вращающуюся черную дыру. (Для сравнения: в химических реакциях (горение дров, взрыв тротила) , в термоядерных реакциях (водородная бомба, недра звезд) ``всего'' !). Можно сказать, что аккреционные диски - очент эффективные "машины" по переработке гравитационной энергии в излучение.

Спектры выходящего излучения из аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах активных галактик и квазаров в целом хорошо описывают наблюдаемое распределение энергии. Остается нерешенным вопрос о формировании узкоколлимированных релятивистских джетов из ядер галактик и квазаров. По-видимому, существенную роль в формировании таких выбросов играет магнитное поле, обязательно присутствующее в плазме. Джет может формироваться либо в окрестности вращающейся черной дыры , окруженной аккреционным диском с магнитным полем (при этом извлекается энергия вращения черной дыры, так называемый механизм Блэндфорда-Знаека), либо при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Отличительным свойством джета, формируемого механизмом Блэндфорда-Знаека, должна быть генерация электронно-позитронной плазмы. Пока не найдено возможности различить эти механизмы.


<< 2.2 Механизмы активности галактических 2.4 Приливное разрушение звезд >>

Rambler's Top100 Яндекс цитирования