Аккреция

Аккреция (от лат. accretio — приращение, увеличение) — это процесс падения вещества на массивный космический объект (звезду, чёрную дыру, нейтронную звезду, белый карлик или протозвезду) под действием гравитации. В ходе аккреции вещество (газ, пыль, плазма) теряет потенциальную энергию, которая частично переходит в кинетическую энергию и тепловое излучение, что делает аккрецирующие объекты одними из самых ярких источников излучения во Вселенной. Аккреция является фундаментальным механизмом, определяющим рост и эволюцию небесных тел, а также формирование галактик, звёзд и планетных систем.

История изучения

Первые теоретические представления об аккреции возникли в середине XX века в связи с развитием астрофизики. В 1939 году американский астроном Роберт Трамплер впервые высказал идею, что звёзды могут образовываться путём гравитационного сжатия межзвёздного газа и пыли. В 1940-х годах советский астрофизик Виктор Амбарцумян предложил концепцию аккреции как механизма, объясняющего энерговыделение в активных ядрах галактик.

В 1960-х годах, после открытия квазаров и пульсаров, аккреция стала ключевым элементом моделей, объясняющих их чрезвычайно высокую светимость. В 1970-х годах британский астрофизик Дональд Линден-Белл и его коллеги разработали теорию аккреционных дисков, которая легла в основу современного понимания процессов, происходящих вокруг компактных объектов. В 1980-1990-х годах, с запуском рентгеновских телескопов (например, «Чандра» и «XMM-Newton»), были получены прямые наблюдательные подтверждения аккреции на чёрные дыры и нейтронные звёзды.

Механизмы аккреции

Аккреция может происходить в различных режимах, в зависимости от углового момента падающего вещества и свойств центрального объекта.

Сферическая аккреция (аккреция Бонди)

Если вещество падает на объект радиально, без значительного вращения, процесс описывается моделью сферической аккреции, или аккреции Бонди (по имени Германа Бонди, 1952 год). В этом случае газ движется к центру по прямым линиям, а его скорость возрастает по мере приближения к объекту. Сферическая аккреция характерна для изолированных чёрных дыр в межзвёздной среде с низкой плотностью, а также для ранних стадий формирования протозвёзд.

Аккреция через диск

Наиболее распространённый и энергетически эффективный тип аккреции — через аккреционный диск. Он образуется, когда падающее вещество обладает значительным угловым моментом (вращением). Вращение не позволяет газу падать прямо на объект, заставляя его двигаться по спиральным траекториям, формируя плоский вращающийся диск. Внутри диска вещество постепенно теряет угловой момент за счёт вязкости (обусловленной турбулентностью и магнитными полями) и дрейфует к центру, выделяя гравитационную энергию в виде тепла и излучения.

Аккреционные диски делятся на несколько типов:

• Тонкие диски (стандартная модель Шакуры-Сюняева) — оптически толстые, эффективно излучают энергию, имеют низкую температуру вдали от центра и высокую — вблизи. Характерны для рентгеновских двойных систем и активных ядер галактик.
• Толстые диски (сверхкритические диски) — образуются при очень высоких темпах аккреции, когда давление излучения раздувает диск, делая его геометрически толстым. В таких дисках часть вещества может выбрасываться в виде джетов.
• Адиабатические диски (ADAF) — оптически тонкие, с низкой эффективностью излучения, характерны для аккреции на чёрные дыры с низкой светимостью.

Аккреция на нейтронные звёзды и белые карлики

Для нейтронных звёзд и белых карликов, обладающих сильным магнитным полем, аккреция осложняется. Магнитное поле может направлять падающее вещество к магнитным полюсам, образуя аккреционные колонки. В таких колонках вещество разгоняется до релятивистских скоростей и при ударе о поверхность звезды выделяет рентгеновское излучение. Этот процесс наблюдается в рентгеновских пульсарах.

Роль аккреции в астрофизике

Формирование звёзд и планет

Аккреция является основным механизмом формирования звёзд. Протозвёзды образуются из гигантских молекулярных облаков, которые сжимаются под действием гравитации. Вещество падает на центральный протозвёздный объект через аккреционный диск, и часть этого вещества может впоследствии сформировать планетную систему. Аккреция пыли и газа на протопланетные тела приводит к образованию планет (планетная аккреция).

Активные ядра галактик

Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик аккрецируют вещество из окружающего пространства, что приводит к образованию активных ядер галактик (АЯГ). АЯГ являются одними из самых ярких объектов во Вселенной, излучая энергию, эквивалентную миллиардам солнечных светимостей. Аккреционные диски вокруг сверхмассивных чёрных дыр могут порождать релятивистские джеты — узкие потоки плазмы, распространяющиеся на сотни тысяч световых лет.

Рентгеновские двойные системы

В двойных звёздных системах, где один из компонентов — компактный объект (чёрная дыра, нейтронная звезда или белый карлик), аккреция вещества с обычной звезды-компаньона приводит к образованию рентгеновского излучения. Такие системы называются рентгеновскими двойными. Они служат естественными лабораториями для изучения физики аккреции и свойств компактных объектов.

Эволюция галактик

Аккреция межгалактического газа на галактики играет ключевую роль в их эволюции. Газ, падающий на галактику, может стимулировать звездообразование и поддерживать активность ядра. В то же время, обратная связь от аккреции (например, джеты и ветры) может нагревать и выметать газ, ограничивая рост галактики.

Наблюдательные проявления

Аккреция проявляется в различных диапазонах электромагнитного спектра:

• Рентгеновский диапазон: характерен для аккреции на компактные объекты (чёрные дыры, нейтронные звёзды) в двойных системах и активных ядрах галактик.
• Оптический и ультрафиолетовый диапазоны: излучение от аккреционных дисков вокруг молодых звёзд (объекты Хербига-Аро) и в активных ядрах галактик.
• Радиодиапазон: синхротронное излучение от джетов, порождаемых аккрецией.
• Инфракрасный диапазон: тепловое излучение от пыли, нагретой аккреционным диском.

Примеры аккрецирующих объектов

• Чёрная дыра в центре галактики M87 (событие, запечатлённое телескопом Event Horizon Telescope в 2019 году) — аккреционный диск и джет, порождённые аккрецией.
• Рентгеновская двойная система Лебедь X-1 — одна из первых кандидатов в чёрные дыры, где аккреция вещества от звезды-компаньона на чёрную дыру порождает мощное рентгеновское излучение.
• Объект Хербига-Аро HH 30 — протозвезда с аккреционным диском, наблюдаемая в оптическом и инфракрасном диапазонах.
• Квазар 3C 273 — один из самых ярких квазаров, чья светимость обусловлена аккрецией на сверхмассивную чёрную дыру.

Критические замечания

Несмотря на широкую поддержку теории аккреции, существуют нерешённые вопросы. Например, точный механизм переноса углового момента в аккреционных дисках (магниторотационная неустойчивость) требует дальнейшего изучения. Кроме того, модели аккреции на сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной сталкиваются с трудностями в объяснении быстрого роста чёрных дыр до миллиардов солнечных масс за короткое время после Большого взрыва.

Источники

• Шакура Н. И., Сюняев Р. А. Теория аккреционных дисков // Астрономический журнал. — 1973.
• Линден-Белл Д., Прингл Дж. Э. Аккреция на чёрные дыры // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1974.
• Бонди Х. О сферической аккреции // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1952.
• Кэрролл Б., Остли Д. Астрофизика: современный подход. — М.: Мир, 2005.
• Франк Дж., Кинг А., Рейн Д. Аккреция в астрофизике. — М.: Физматлит, 2007.