Вселенная дисков

В ясную ночь даже невооруженным глазом можно увидеть Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Все они образуют на небе большой круг. Здесь же лежит эклиптика - годичный путь Солнца на фоне зодиакальных созвездий.

Планеты нашей Солнечной системы, включая Землю, обращаются вокруг Солнца в определенном направлении и почти в одной плоскости (кроме Плутона). Такая согласованность указывает, что они сформировались из газо-пылевого диска, вращающегося вокруг молодого Солнца. Точно так же и наша Галактика, состоящая из многих миллиардов звезд, имеет округлую форму. Поскольку Солнечная система расположена внутри этого диска, то нам кажется, что Галактика окружает нас в виде полосы Млечного Пути.

Во Вселенной встречается огромное разнообразие различных по размеру структур в виде круга. (Например, Сатурн, имеющий кольца, как и все планеты-гиганты Солнечной системы.) Протопланетные диски вокруг многих молодых звезд похожи на те, которые, по всей видимости, сформировали нашу Солнечную систему. В некоторых двойных звездных системах газ, потерянный одной из звезд, захватывается притяжением другой, образуя вокруг нее овал. Двигаясь в нем по спирали, как в водовороте, газ медленно опускается на поверхность звезды. Такие структуры называют аккреционными дисками. Считается, что они существуют и в ядрах галактик вокруг сверхмассивных черных дыр, массы которых могут доходить до миллиардов масс Солнца.

Астрономы полагают, что аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр могут влиять на формирование и эволюцию галактик, а изучение их динамики развития вокруг молодых звезд проливает свет на раннюю историю нашей Солнечной системы. Благодаря современному компьютерному моделированию ученые смогли объяснить турбулентность аккреционных дисков, которая делает их мощными источниками энергии. Но другие явления, такие как струи частиц, часто истекающие из них, пока необъяснимы.

Небесная карусель

Вращение помогает диску противостоять притяжению. Представьте себя на быстро крутящейся карусели. Если вы не схватились за одну из лошадок, то будете падать, двигаясь по касательной к кругу. Усилие вашей руки - это как раз та сила, которая помогает вам удержаться. Таким же образом вращение вещества в диске противостоит силе притяжения.

Вращающиеся объекты имеют момент импульса, значение которого пропорционально скорости вращения объекта и распределению его массы вокруг оси: чем дальше она от нее, тем больше (при той же скорости) момент импульса, который для понимания динамики вращающихся систем не менее важен, чем энергии, поскольку обе эти величины сохраняются. Момент, как и энергия, не может ни появиться, ни исчезнуть.

К примеру, фигурист на льду начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Поскольку его момент импульса должен остаться постоянным, перемещение массы к оси вращения тела компенсируется увеличением скорости его вращения.

Закон сохранения момента импульса объясняет, почему диски столь распространены во Вселенной. Рассмотрим облако газа, которое сжимается под действием собственного тяготения. Все во Вселенной так или иначе вращается, поэтому можно предположить, что и облако имеет какой-то момент импульса. Если оно сжимается, то закон сохранения вынуждает его продолжать движение по кругу быстрее. Постепенно вращение начинает уравновешивать силу притяжения, от чего вещество перемещается к оси все медленнее и медленнее. Вдоль оси вращения вещество почти свободно падает к экваториальной плоскости, т.е. к плоскости, перпендикулярной оси. В результате получается диск, поддерживаемый вращением.

Ученые полагают, что именно так образуются протопланетные диски вокруг молодых звезд и приблизительно так же формируются газовые диски вокруг черных дыр в центрах галактик. Станет ли вся галактика диском, зависит от временного фактора. Спиральная галактика возникает, если газ сжался во вращающийся диск прежде, чем отдельные облака превратились в звезды, которые если и родились до того, как галактическое облако сжалось в диск, то в дальнейшем сохраняют свои хаотические орбиты вокруг галактического центра, формируя эллиптическую галактику. Правда, галактики формируются не в изоляции. Их взаимные столкновения и слияния существенно усложняют картину. По крайней мере, некоторые эллиптические галактики, а также балджи и гало спиральных галактик скорее всего являются результатом таких столкновений.

Аккреционные диски формируются и в двойных звездных системах, а когда одна из звезд (например, маленький и плотный белый карлик) своим притяжением оттягивает газ у соседа (обычно у большой и не столь плотной звезды). Похищенный газ обладает значительным моментом импульса, полученным от орбитального движения двух звезд вокруг их общего центра масс. Поэтому газ не может прямо упасть на белый карлик, а формирует вокруг него диск.

Вспомнив, что год Меркурия короче земного (всего 88 суток), мы поймем, почему вещество внутренних областей диска совершает оборот по орбите за меньшее время, чем вещество внешних. Различие орбитальных периодов приводит к сдвигу: слои вещества на различных расстояниях от центра скользят друг относительно друга. Если веществу в какой-нибудь форме присуще трение, оно будет замедлять быстро вращающиеся внутренние части диска и ускорять его медленно движущиеся внешние области. При этом момент импульса переносится от внутренних областей к внешним. В результате вещество внутренних областей не может сопротивляться гравитации и движется вниз по спирали к центральной звезде или черной дыре.

По мере того как вещество опускается к внутреннему краю аккреционного диска, оно отдает свою гравитационную потенциальную энергию, одна часть которой идет на увеличение орбитальной скорости вещества (чем ниже орбита, тем выше скорость), а другая - за счет трения превращается в тепло. Поэтому вещество в диске может нагреться и превратиться в источник видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Мощное энерговыделение аккреционных дисков навело астрономов на мысль о существовании черных дыр, которые сами по себе не могут испускать свет, но аккреционные диски вокруг них способны на это. (Здесь мы не касаемся теории Хокинга (S. Hawking), согласно которой черные дыры у должны испускать слабое излучение. Заметить его можно было бы лишь у самых малых из них, но пока оно нигде во Вселенной не наблюдалось.)

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, энергия, выделяемая аккреционным диском вокруг черной дыры, должна составлять около 10% от энергии массы покоя вещества (равной массе, умноженной на квадрат скорости света). Такая чудовищная величина более чем в 10 раз превышает энергию, выделяющуюся при термоядерных реакциях. И все же она согласуется с наблюдениями излучения квазаров -очень ярких объектов, источниками энергии которых, как полагают, служат аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр в ядрах молодых галактик. Если вычислить полную энергию, испускаемую за все время всеми квазарами в некоторой области пространства, то она оказывается близка к 10% энергии массы покоя всех сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня в той же части.

Космическая турбулентность

Какова природа трения внутри аккреционных дисков, приводящего к выделению гигантской энергии? Возможно, частицы вещества в диске сталкиваются и обмениваются энергией и моментом импульса. Такой механизм работает в кольцах Сатурна: песчинки, камни, валуны и их составляющие соприкасаются друг с другом, энергия переходит в тепло, а момент импульса переходит наружу. Кольца Сатурна в некотором смысле можно считать вязкой жидкостью, в которой сталкивающимися молекулами стали камни! Столкновения заставляют кольца растягиваться по радиусу, но спутники Сатурна действуют как резервуары момента импульса и ограничивают это растяжение.

К сожалению, подобным образом невозможно объяснить активность других типов аккреционных дисков. В двойных системах или в центрах галактик столкновения частиц вызвали бы настолько малый приток массы к центру, что невозможно было бы объяснить гигантскую светимость дисков. Возможно, поток вещества в них усиливается крупномасштабными волнами, похожими на спиральные рукава галактик. Так же, как звуковые волны переносят в воздухе энергию, спиральные волны могут переносить в диске энергию и момент импульса наружу, облегчая аккрецию вещества. Астрономы нашли свидетельства существования спиральных волн в аккреционных дисках у некоторых двойных систем, которые, однако, не настолько сильны, чтобы обеспечить приток вещества, необходимый для возникновения наблюдаемого излучения.

Многие астрофизики полагают, что важнейший механизм трения в аккреционных дисках - турбулентность, ускоряющая поток вещества. Когда по трубе движется вода, ее вязкость снижает скорость течения у внутренней стенки трубы. Если же градиент скорости увеличится, то он в конечном счете дестабилизирует поток воды и сделает его бурным и хаотичным. Поскольку в аккреционных дисках потоки вещества обладают разными скоростями, в 1970-х гг. астрофизики предположили, что диски могут быть турбулентными. Но когда они попробовали смоделировать это явление, решая уравнения движения жидкости на компьютерах, то не обнаружили условий для развития турбулентности в аккреционных дисках.

Возможно, компьютерное моделирование не было точным или аналогия с потоком жидкости в трубе не совсем верна и вращающиеся системы типа аккреционных дисков ведут себя иначе. Исследователи провели лабораторные опыты, пытаясь создать турбулентность в потоках, которые напоминают аккреционные диски, но результаты вновь оказались спорными. И все же астрофизики уверены, что аккреционные диски турбулентны. Впервые попытку рассчитать структуру турбулентного диска в 1973 г. предприняли российские астрофизики Николай Шакура и Рашид Сюняев. Они смогли построить теоретические модели аккреционных дисков и сравнить их с наблюдениями. Ученые показали, что иногда некоторые аккреционные диски в двойных звездных системах на короткое время увеличивают свою светимость (например,  карликовая  Новая, вспышка аккреционного диска вокруг белого карлика в двойной системе), что вызвано неустойчивостью в диске, которая вынуждает вещество быстрее перемещаться внутрь.

Несмотря на вышеизложенные достижения, модель Шакуры-Сюняева ненамного приблизила нас к сути явлений. Расхождение между теорией и данными наблюдений может возникать, если предположение о турбулентности диска вообще неверно. С другой стороны, турбулентность, обеспечивая перенос момента импульса по диску, могла бы дать подобные эффекты, но исследователи не могут предсказать, какими они будут, пока не поймут процессов, стоящих за ними.

Астрономические гонки

В 1991 г. произошел прорыв в решении проблемы турбулентности. Стивен Балбюс (S. Balbus) и Джон Холей (J. Hawley) из Виргинского университета предположили, что если вещество в аккреционном диске имеет высокую электропроводность и пронизано хотя бы слабым магнитным полем, то это приводит к неустойчивости в диске, постоянно возбуждающей турбулентность потока. Эффект назвали магнито-ротационной неустойчивостью. Она усиливает перенос момента импульса и выделение гравитационной энергии. Считается, что именно он играет основную роль в динамике большинства аккреционных дисков.

Магнитные силовые линии в хорошо проводящей среде перемещаются вместе с ней: куда движется вещество, туда и поле. Но магнитные силовые линии тоже влияют на среду. Словно резиновые нити, изогнутые силовые линии поля оказывают давление на вещество.

Неустойчивость приводит к турбулентности. Представим круговой трек с автомобилями, которые по внутренней стороне движутся быстрее, чем по внешней. Предположим, что они связаны цепями. Машины на внутренних дорожках должны терять момент импульса, поскольку их тянут назад, а у автомобилей на внешних OFi должен увеличиваться, поскольку их тянут вперед. В результате получается хаос. Также развивается турбулентность в аккреционном диске.

Открытие магнито-ротационной неустойчивости изменило наше представление об аккреционных дисках. Похожая ситуация была в начале XX в., когда астрономы впервые поняли, что основным источником энергии звезд служат реакции ядерного синтеза. Теперь астрофизики нашли механизм, вырабатывающий еще большую энергию у объектов типа квазаров и активных ядер галактик (которые, как считается, тоже питаются веществом, падающим на сверхмассивные черные дыры). Сейчас ученые исследуют, как турбулентность, стимулированная магнито-ротационной неустойчивостью, функционирует в различных ситуациях и может ли она объяснить особенности поведения различных типов аккреционных дисков.

Например, действует ли механизм турбулентности в протопланетных дисках, менее компактных, а потому более прохладных, чем диски вокруг белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Протопланетные диски в основном состоят из нейтрального газа и пыли и не содержат электропроводящей плазмы. Может ли магнитное поле влиять на потоки такого вещества, пока не ясно.

Мы пытались выяснить, как магнито-ротационная неустойчивость действует в горячих и непрозрачных аккреционных дисках вокруг черных дыр, где турбулентность может быть сверхзвуковой, порождающей в плазме ударные волны, подобно тому, как сверхзвуковой самолет производит акустический удар. В результате могут рождаться фотоны с большой энергией, которые, вырываясь сквозь относительно прозрачные области между ударными волнами, создают излучение из окрестности черной дыры, которое и должны заметить астрономы.

Колебания и джеты

Многие аккреционные диски, по-видимому, пронизаны мощными турбулентными потоками и поэтому демонстрируют сильную переменность излучения. Хаотические изменения яркости, как это ни парадоксально, строго упорядочены.- на фоне загадочных мерцаний вновь и вновь прослеживается характерная последовательность колебаний с определенной частотой. Рентгеновский спутник Rossi X-ray Timing Explorer, способный регистрировать быстрые изменения рентгеновского излучения, может помочь в изучении колебаний в аккреционных дисках вокруг нейтронных звезд и черных дыр звездной массы, превышающей массу Солнца в 4-15 раз.

Астрофизики не знают, каковы причины изменчивости и почему частоты колебаний именно таковы. Роберт Вагонер (R. Wagoner) из Стэнфордского университета предположил, что так проявляются дискретные моды колебаний диска, подобные гармоническим колебаниям скрипичной струны. Как звуки  скрипки могут рассказать нам о натяжении и массе ее струн, так и наблюдаемые частоты колебаний аккреционного диска способны поведать о структуре диска и пространстве-времени вокруг нейтронной звезды или черной дыры.

Несмотря на то что большая часть гравитационной энергии падающего по спирали вещества в аккреционных дисках испускается в виде излучения, иногда часть энергии уносится ветром или струей частиц - джетом. Астрономы пытаются понять, как генерируются такие потоки и чем определяется разделение энергии аккреции на излучательную и кинетическую и каковы механизмы выброса частиц. Возможно, иногда отток вещества оказывает решающее влияние на аккреционный диск, поскольку он уносит наружу не только массу и энергию, но и существенную часть момента импульса.

Один из возможных механизмов формирования некоторых типов истечения - давление фотонов, излучаемых аккреционным диском. Обладая нулевой массой покоя, они, рассеиваясь в веществе, обмениваются импульсом с его частицами и таким образом оказывают на них давление. Молодые массивные звезды испускают мощное ультрафиолетовое излучение, которое давит на окружающие звезду атомы и ионы и уносит их прочь, создавая звездный ветер. Точно так же ультрафиолетовые фотоны аккреционных дисков вокруг белых карликов в активных ядрах галактик или квазарах могут разгонять ветер от диска.

Некоторые объекты из числа молодых звезд или активных ядер галактик формируют быстрые и узкие потоки частиц - джеты, простирающиеся на расстояние в несколько световых лет у первых и на миллионы световых лет у вторых. Поскольку джеты на таком большом расстоянии сохраняют вид узкого пучка, то становится ясным, что здесь замешаны магнитные ноля. Поскольку сам аккреционный диск, по-видимому, намагничен, его вращение может закручивать магнитные силовые линии в спираль, удерживая джет от расширения. Еще в 1980-х гг. Роджер Блендфорд (R. Blandford) и Дэвид Пэйн (D. Payne) из Калифорнийского технологического института предположили, что вращение диска может способствовать выбросу вещества наружу вдоль линий поля, обеспечивая начальное ускорение и увеличение массы джета. К сожалению, мы пока не знаем, как связать хаотическую магнитную турбулентность аккреционного потока в диске с гораздо более упорядоченной структурой магнитного поля в джете. Изучая магнитную турбулентность в различных условиях, мы стремимся понять суть явлений, демонстрируемых спиральными дисками. В том числе и аккреционный диск, который породил нашу Солнечную систему.

Автор: Омер Блэйс (Omer Blaes), профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, давно изучает динамику аккреционных дисков. Блэйс - теоретик, работающий в области астрофизики высоких энергий. Кроме аккреционных дисков в сферу его научных интересов входит физика компактных объектов - черных дыр, нейтронных звезд и белых карликов.

В мире науки. № 1. 2005