Аккреционный диск

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Аккреционный диск — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело (аккреция). Аккреционные диски возникают вокруг звезд в тесных двойных системах, во вращающихся галактиках и в протопланетных образованиях. Они также играют ключевую роль в механизме Гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звёзд и коллапс ядер сверхновых и гиперновых звёзд. Сжатие вещества, а также выделение тепла в результате трения дифференциально вращающихся слоев, приводит к разогреву аккреционного диска. Аккреционные диски протозвезд, молодых звезд излучают в инфракрасном диапазоне; тепловое излучение дисков, образовавшихся вокруг нейтронных звезд и черных дыр, приходится на рентгеновский диапазон.

Механизм образования[править | править исходный текст]

Формирование аккреционного диска вокруг пульсара в представлении художника. Вещество, падающее со звезды-компаньона, ускоряет вращение пульсара, делая его миллисекундным

Газ, перетекающий от одного компонента системы к другому, имеет значительный момент вращения, обусловленный орбитальным движением. Поэтому частицы газа не могут падать на звезду радиально. Вместо этого они движутся вокруг неё по кеплеровским орбитам. Вследствие этого образуется газовый диск, распределение скоростей в котором должно соответствовать законам Кеплера: слои, расположенные ближе к звезде, будут иметь бо́льшие скорости. Однако из-за трения между слоями газа их скорости выравниваются, и внутренние слои передают часть своего момента импульса наружу. Вследствие этого внутренние слои приближаются к звезде и, в конце концов, падают на её поверхность. Фактически, траектории отдельных частиц газа имеют вид спиралей, которые медленно закручиваются.

Радиальное смещение вещества в аккреционном диске сопровождается высвобождением гравитационной энергии, часть которой превращается в кинетическую энергию (ускорение движения газа при приближении к звезде), а другая часть превращается в тепло и разогревает вещество диска. Поэтому аккреционный диск излучает. Кинетическая энергия газа при столкновении с поверхностью звезды также трансформируется в тепловую энергию и излучается.

Понятие аккреционного диска применяется для объяснения многих явлений физики нестационарных звёзд, активных ядер галактик.

Гидродинамическая теория дисковой аккреции[править | править исходный текст]

"Стандартная модель" дисковой аккреции опирается на кеплеровское вращение. Но кеплеровское вращение, происходяшее под действием сил гравитации и инерции, обладая устойчивостью, не содержит стационарной компоненты радиальной скорости, и потому, делает невозможной аккрецию[1]. Гидродинамическая теория свободна от такого ограничения, поскольку она включает в себя также и силу барического градиента, турбулентное трение и турбулентные потки. Подобно атмосферному циклону, трение дифференциально вращающихся слоев, отклоняя движение газа от кеплеровской орбиты, создает радиальный перенос вещества, который, в свою очередь, обеспечивает высвобождение гравитационной энергии. Самосогласованная теория турбулентного вращения газа в аккреционных дисках рассмотрена А. М. Кригелем[2],[3]. Система дифференциальных уравнений, использаемая для моделирования процессов в аккреционном диске включает в себя осредненные уравнения гидродинамики и термодинамики идеального газа, с учетом эффектов, связанных с турбулентностью и сжимаемостью. Оказалось, что полная светимость аккреционного диска за счет диссипации механической энергии благодаря трению

\ \mathbf{L \approx \frac{GM \dot M}{R_o}} ,

где \ \mathbf{G}гравитационная постоянная, \ \mathbf{M} — масса центрального тела, \ \mathbf{R_o} — его радиус, \ \mathbf{\dot M} — темп аккреции. В рамках этой теории было обнаружено, что аккреция обусловлена турбулентным потоком вещества к центру, в то время, как меньший, по сравнению с ним, упорядоченный поток оказался направленным от центра. Таким образом, наблюдаемые струевидные выбросы не противоречат теории.

Численное решение нестационарной задачи вращения турбулентного газа, окружающего массивное центральное тело, моделирует гиротурбулентную неустойчивость[4]. Оказалось, что в диске могут развиваться "гиротурбулентные колебания", в которых осуществляется периодический обмен между "упорядоченной" и "турбулентной" компонентами кинетической энергии. В результате такой неустойчивости в турбулентном потоке газа на центр возникают квазипериодические колебания, что приводит к переменной светимости диска, а также к нестационарности струевидных выбросов. Такой механизм рассматривется в качестве возможной причины квазипериодических процессов в аккреционных дисках.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Горбацкий В. Г. Космическая газодинамика.—М.:Наука,1977.—С.360
  2. Кригель А. М. О стационарном вращении галактик//Астрон. журн.—1983.—60.—№2.—С.242-250.
  3. Кригель А. М. Теория стационарной дисковой аккреции на звезды и ядра галактик//Астрофизика.—1989.—31.—№1.—С.137-143.
  4. Кригель А. М. Численное моделирование гиротурбулентных колебаний светимости рентгеновских звезд// Астрон. журн.— 1990.—67.—№6.—С.1174-1180.

Литература[править | править исходный текст]