Black Holes in Binary Systems. Observational appearance
Shakura, N.I., Syunyaev, R.A., 1973, Astron. Astrophys., vol 24 p337-355
20 марта 2008 г.: ISI – 3807 цитирований, ADS – 3886 цитирований
Удивительно, но самые мощные стационарные источники излучения во Вселенной «работают» не на термоядерных реакциях, не на аннигиляции, не на каком-то другом экзотическом механизме. Просто вещество падает в поле тяжести, разгоняется, а потом эта энергия высвечивается. Этот примечательный факт связан с тем, что во Вселенной есть очень компактные объекты, сила тяжести в окрестности которых очень велика. Это черные дыры и нейтронные звезды.
Если взять пару кирпичей и бросить на нейтронную звезду, то в результате их падения выделится примерно столько же энергии, сколько при взрыве мощной термоядерной бомбы. Скорость падения вещества при ударе о поверхность нейтронной звезды достигает половины скорости света. Поэтому неудивительно, что эффективность выделения энергии составляет примерно 10% от mc2 (для ядерных и термоядерных реакций эта величина обычно менее процента).
Где же все время брать «кирпичи», чтобы кидать их на нейтронные звезды и черные дыры? Около половины звезд рождается в двойных системах. В процессе эволюции пары звезд могут разрушаться, но все равно заметная доля компактных объектов имеет «соседей». На определенной стадии жизни звезды она может начать поставлять вещество компактному компаньону по двойной системе. Процесс захвата и выпадения вещества на компактный объект называют аккрецией.
В 1960-е годы начали запускать ракеты с рентгеновскими детекторами. Были обнаружены первые источники. Двойные звезды с компактными объектами сразу стали рассматривать как возможное объяснение природы этих источников. Начали появляться работы по аккреции в двойных системах.
Звезды в двойной системе вращаются вокруг общего центра масс. Значит, при перетекании с одного компаньона на другой вещество будет иметь угловой момент. Оно не сможет сразу выпасть на поверхность соседа. Если в веществе есть какой-то механизм переноса углового момента, т.е. какая-то вязкость, то образуется аккреционный диск.
Диски особенно важны при аккреции на черные дыры. Ведь у них нет твердой поверхности. Энерговыделение в таком случае идет в диске.
При аккреции на вращающиеся черные дыры можно выделять до 42% от mc2! Колоссальная величина.
В 1973 году в журнале Astronomy and Astrophysics появилась статья Н.И.Шакуры и Р.А.Сюняева, в которой была построена модель дисковой аккреции. Модель оказалась очень удачной, и статья сразу же начала завоевывать заслуженную популярность. Сейчас с примерно 4000 ссылок эта работа является самой цитируемой статьей в астрофизике и самой цитируемой статьей отечественных ученых.
Ключевым моментом в статье является удобная параметризация вязкости, т.е. переноса углового момента. Собственно, все сведено к одному, так называемому «альфа-параметру» (поэтому и модель аккреционного диска часто называют «альфа-модель»). Учтено два механизма вязкости: турбулентный и магнитный. При отсутствии магнитного поля параметр альфа просто равен отношению турбулентной скорости к скорости звука. Магнитное поле в диске добавляет слагаемое, равное отношению магнитной энергии к сумме тепловой и энергии излучения.
Задавшись моделью переноса углового момента, авторы детально рассмотрели структуру диска и, что очень важно в астрономии, как диск будет излучать в разных диапазонах — от оптики до рентгена. Кроме того, был рассмотрен случай сверхкритической аккреции. Дело в том, что при аккреции светимость источника саморегулируется. Если вещества слишком много и поток излучения вырастает до некоторого предела, то он начинает просто «сдувать» лишнее вещество. При дисковой аккреции отток будет идти в основном во внутренних областях диска, перпендикулярно к нему. То есть возможно образование джетов — струй. Поток вещества, падающего на компактный объект, уменьшается, падает и светимость. Для нейтронных звезд и черных дыр звездных масс предельная светимость в несколько сотен тысяч раз больше солнечной, и такие объекты наблюдаются.
Альфа-модель оказалась очень удачной для описания аккреционных дисков в ярких рентгеновских источниках. То есть все основные параметры рентгеновских двойных удалось описать или предсказать. В самом конце 1970 года был запущен американский спутник UHURU, в последний каталог которого вошло более 300 рентгеновских источников, большинство которых является тесными двойными системами с аккрецией на компактные объекты. Свою работу аппарат завершил как раз, когда статья была в печати. Таким образом, открывшееся астрономам «небо в рентгеновских лучах» сразу же нашло свое описание в рамках альфа-модели аккреционных дисков.
Разумеется, теория аккреционных дисков не остановилась в своем развитии 35 лет назад. Диски существуют вокруг самых разных астрофизических объектов — от молодых звезд до сверхмассивных черных дыр в активных ядрах галактик. Физика явления очень сложна. Некоторые активные галактики выбрасывают струи длиной в несколько миллионов световых лет. И все это связано с дисковой аккрецией. Развивается теория, строятся численные модели, наблюдатели непрерывно поставляют новые данные…. Но работа Шакуры и Сюняева по-прежнему остается актуальной и цитируемой, а альфа-модель продолжает использоваться в астрофизике.
С. Б. Попов