Государственная премия 2016 года в области науки и технологий присуждена астрофизикам Николаю Шакуре и Рашиду Сюняеву за работу, опубликованную в 1973 году. Ее вручение состоялось 12 июня 2017 года в Кремле [1]. В преамбуле премии отмечается, что она присуждена «за создание теории дисковой аккреции вещества на черные дыры». Главная статья опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics, она называется «Черные дыры в двойных системах. Наблюдаемые проявления» [2].
Напомним, что пилотный номер нашей газеты мы посвятили как раз этой статье [3] — самой цитируемой публикации российских авторов за всё время существования российской науки. Это вторая в мире по цитируемости статья по астрофизике (первое место занимает статья справочного характера). Число цитирований этой статьи перевалило за 8 тыс по данным NASA ADS. Так что до присуждения этой премии лауреаты отнюдь не пребывали в безвестности. Это далеко не первая их награда за эту работу.
Предыстория
Долгое время черные дыры воспринимались как экзотический курьез общей теории относительности. Наконец постепенно поняли, что большие звезды, когда прогорают, должны заканчивать свою жизнь как черные дыры: они не могут остаться белыми карликами из-за так называемого предела Чандрасекара.
А самые тяжелые, массой более 30–40 солнечных масс, коллапсируя и даже теряя при этом большую часть массы, не могут застрять на стадии нейтронной звезды из-за предела Оппенгеймера — Волкова. В первом случае тяготение преодолевает давление вырожденного газа электронов, во втором случае — нейтронов. То есть никакие физические силы не в состоянии предотвратить коллапс очень массивных звезд, значит, они обязательно должны стать черными дырами. Где же они? Негативной аргументации мало, требуется подтверждение.
Изолированная черная дыра, на которую ничего не падает, не излучает ничего (излучение Хокинга ничтожно). Единственный шанс обнаружить черную дыру дает случай, когда на нее падает вещество. Откуда? Например, в двойной системе — с нормальной звезды, обращающейся вокруг общего центра тяжести с черной дырой.
В 1964 году с помощью запусков суборбитальных ракет со счетчиками Гейгера, сканирующими небо, были обнаружены несколько рентгеновских источников. Среди них Лебедь Х-1. В 1970 году была запущена первая рентгеновская обсерватория «Ухуру», нашедшая более трехсот источников. По данным «Ухуру» казалось, что Лебедь Х-1 — быстропеременный объект, способный менять светимость за миллисекунды. Значит, он очень компактный.
В 1971 году обнаружили радиоисточник, совпадающий по положению с Лебедем Х-1, причем точность локализации в радио намного лучше, чем в рентгене. Это помогло отождествить звезду, находящуюся на месте источника, — голубой гигант HDE 226868. Вскоре обнаружили периодическое смещение спектральных линий звезды.
Из периода вытекает, что у нее есть компактный компаньон с массой заведомо больше 10 солнечных масс — намного больше, чем верхний предел массы нейтронных звезд. Так был открыт первый кандидат в черные дыры звездной массы. Сейчас слово «кандидат» пропало — известно огромное количество таких объектов, количество данных о них тоже огромно, никто не сомневается, что это именно черные дыры. Точка поставлена год с небольшим назад регистрацией гравитационных волн от сливающихся черных дыр — рассеялись последние смутные сомнения в существовании черных дыр звездной массы.
Всюду диски…
Как вещество может падать на черную дыру (падение вещества на астрономический объект, за счет которого он растет, называют аккрецией). Если это просто межзвездный газ — то, скорее всего, как изотропный поток со всех сторон. Такой режим сферически симметричной аккреции изучен теоретически, он наверняка бывает в жизни. Но если вещества много и есть некий преобладающий вращательный момент, поток обязательно соберется в диск.
Диски в астрофизике образуются везде — от колец Сатурна до галактик. Механизм образования у них общий: вещество летает вокруг тяготеющего центра по кеплеровским орбитам. Если эти кеплеровские орбиты хаотичны, то частицы вещества неупруго сталкиваются друг с другом так, что орбиты постепенно сближаются. Это происходит до тех пор, пока все орбиты не станут круговыми в одной плоскости, — тогда столкновения прекратятся. Пример почти идеального диска — кольца Сатурна, где глыбы и булыжники из грязного льда летят параллельно друг другу десятиметровым слоем.
Но в таком идеальном кольце нет движения внутрь. Глыбы не падают на Сатурн. Этому мешает закон сохранения момента импульса — кольца Сатурна не могут его сбросить. В случае аккрецирующих черных дыр диск должен вести себя как-то иначе. Как именно — этому и посвящена знаменитая работа.
На самом деле ключевая идея была опубликована годом раньше Николаем Шакурой в «Астрономическом журнале». Она достаточно проста. Поведение диска при заданном темпе поступления вещества извне зависит от одного параметра — вязкости. Если есть вязкость, то между смежными орбитами появляется трение. Вещество на любой орбите передает угловой момент веществу более медленной внешней орбиты. Так происходит транспорт момента импульса изнутри наружу, за счет чего вещество диска, избавляясь от момента, по спирали стягивается к центральному телу.
Откуда берется вязкость? Во-первых, из-за турбулентности в диске — вещество смежных орбит перемешивается. Во вторых, из-за магнитного поля, пронизывающего диск, — оно вморожено в вещество и ведет себя как упругий материал.
В работе Николая Шакуры впервые был введен удобный безразмерный параметр a, величина которого представляет собой отношение квадрата турбулентных скоростей к квадрату скорости звука. В совместной работе с Рашидом Сюняевым в определение этого параметра было добавлено магнитное поле. Эти величины очень привычны и естественны для астрофизиков. Они взаимосвязаны — турбулентность работает как магнитное динамо, усиливая поле. Эти величины нельзя измерить, но есть довольно общие соображения, как их примерно оценить.
Основополагающая статья
Эта первая работа Н. И. Шакуры осталась не столь известной, как вторая работа 1973 года, опубликованная в соавторстве с Рашидом Сюняевым. Во-первых, она опубликована в международном журнале. Во-вторых, она лучше написана и гораздо полнее.
Кроме динамики диска описывается его термодинамика, излучение в разных режимах аккреции, его переменность во времени и влияние излучения диска на звезду-компаньон. Статья стала основополагающей. Любая более поздняя работа по дисковой аккреции в той или иной степени, прямо или косвенно использует результаты, изложенные в статье Николая Шакуры и Рашида Сюняева. Отсюда и гигантское число ссылок.
Область захватывающе интересная, там осталось еще много загадок. Например, режим аккреции меняется скачками — то излучается жесткий рентген меньшей интенсивности, то мягкий с большей светимостью. Это хоть и смутно, но понято. Или, например, автор этой заметки, работая с данными инструмента BATSE гамма-обсерватории «Комптон», неожиданно обнаружил гигантские рентгеновские всплески вышеупомянутого Лебедя Х-1 — их почему-то не заметили члены команды BATSE. Откуда они? Что за явление? Никто не знает.
Да там целый кладезь эффектов: корона диска, квазипериодические осцилляции, наконец, самое потрясающее явление — джеты, струи замагниченной плазмы, бьющие вдоль оси вращения дисков. И ведь всё это относится не только к черным дырам звездной массы. Знаменитые квазары — это те же аккреционные диски, только у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Даже протопланетные диски на ранней стадии, вероятно, могут описываться в терминах модели Шакуры — Сюняева. Они, кстати, тоже испускают великолепные джеты.
Дисковая аккреция неисчерпаема (в отличие от электрона). Рост числа цитирований статьи Шакуры — Сюняева ускоряется. Основным методом исследования, как и во многих других областях науки, становится численное моделирование с привлечением больших вычислительных ресурсов. А куда деваться? Тем более можно поздравить тех, кому когда-то удалось найти общее описание явления с помощью ручки и бумаги. Вне зависимости от числа полученных премий.
Борис Штерн,
главный редактор ТрВ-Наука, астрофизик
1. http://kremlin.ru/events/president/news/54763
2. Shakura N. I., Syunyaev R. A. Black Holes in Binary Systems. Observational appearance // Astronomy and Astrophysics, 1973. Vol. 24. P. 337–355.
3. Попов С. Крутятся диски. http://trv-science.ru/2008/04/01/krutyatsya-diski/ //»Троицкий вариант-Наука», №1(1), 1 апреля 2008 года.
Статьи в ТрВ-Наука о Н. И. Шакуре: http://trv-science.ru/2008/04/01/mini-interview-shakura/ (мини-интервью с С. Поповым);
http://trv-science.ru/2015/10/20/teoriya-accretii-dvigatel-astrofiziki/ (к 70-летию астрофизика);
http://trv-science.ru/2014/04/22/dolgaya-doroga-k-vershine-zeldovich/ (воспоминания о Я. Б. Зельдовиче).
«Это далеко не первая их награда за эту работу.».
Завидую.
Такова природа признания в науке. Если есть цитирование — признание. А когда уже идет применение — это означает значимость результата.
Кстати, о премиях. Что-то их у нас очень мало.
Полагаю над этим надо поработать.
Например, Если у автора есть 100 публикаций, чем не повод для премии? Пусть даже символической: под названием «Моя первая сотня».
Затем, когда появляется первая тысяча цитирований, появляется еще один повод для премии. Ну и так далее.
К 70 годам, доктору наук хорошо бы иметь 3-5 премий. Вот это правильная жизнь.
Будет что передать наследникам, чем погордиться чем привлечь молодежь в науку.
Ведь не одним интегралом жива наука. Нужны и внешние, всем понятные приметы признания и значимости.
А как сейчас?? Оч. далеко не так, т.е. не правильно. Неправильно живем, товарищи ученые.