Природные процессы, явления внутри небесных тел или в космическом пространстве

Аккреция в астрономии

Аккре́ция (от лат. accretio – приращение, увеличение) в астрономии, процесс захвата вещества из окружающего пространства небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела. С середины 20 в. термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздных и межпланетных газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К аккреции относят также перетекание вещества в с одного компонента на другой. Аккреция вещества на конечные продукты звёздной эволюции – , и  – сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе аккреция играла важную роль при формировании планет из вещества . В областях наблюдается аккреция дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также аккреция межгалактического вещества на галактики.

Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный тяготеющий центр может происходить в одном из двух режимов:

  • в слабостолкновительном режиме, когда длина пробега частиц велика и между редкими столкновениями частицы движутся согласно законам классической механики Ньютона по гиперболическим, параболическим или эллиптическим траекториям;

  • в режиме частых столкновений частиц, когда процесс аккреции описывается стандартными уравнениями .

При слабостолкновительном режиме скорость увеличения массы тяготеющего центра зависит от его размеров – захватываются частицы, орбит которых меньше радиуса этого центра. На некотором расстоянии от центра присутствуют как частицы, летящие в сторону центра (в большем количестве), так и частицы, обогнувшие центр и летящие от него (в меньшем количестве). В результате бомбардировки поверхности центра кинетическая энергия частиц переходит в теплоту с последующим высвечиванием. Вблизи аккрецирующих нейтронных звёзд и особенно чёрных дыр, где всемирное существенно отличается от ньютоновского, вид траекторий частиц усложняется. В сильных гравитационных полях чёрных дыр появляется новый тип движения частиц – частиц, траектория которых начинается с конечным на бесконечности и заканчивается в чёрной дыре. Частицы проникают внутрь чёрной дыры без какого-либо энерговыделения. Из-за релятивистского эффекта замедления течения времени в сильных гравитационных полях удалённый наблюдатель никогда не увидит момент пересечения горизонта чёрной дыры падающими частицами. Последнее имеет место в любом режиме аккреции вещества на чёрную дыру даже с учётом возрастания её массы.

В режиме частого столкновения частиц устанавливается процесс стационарной сферически симметричной газодинамической аккреции, при котором скорость увеличения массы тяготеющего центра на много порядков больше, чем в предыдущем режиме, и никак не зависит от размеров центра. Покоящийся на большом расстоянии газ ускоряется по мере приближения к тяготеющему центру его гравитационным полем так, что вблизи него газ падает вдоль радиуса с ускорением, близким к ускорению свободного падения. По мере приближения к центру газ уплотняется, растёт его температура, включаются механизмы относительно слабого теплового излучения горячего газа () как в непрерывном спектре, так и в спектральных линиях отдельных химических элементов. При встрече газа с поверхностью компактного объекта вокруг него возникает сильная , в которой и происходит высвечивание всей кинетической энергии падающего вещества. Скорость свободного падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд уже сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при встрече вещества с поверхностью нейтронной звезды в десятки раз превышает энерговыделение, имеющее место в ядерных реакциях. Если компактный объект (нейтронная звезда или белый карлик) имеет достаточно сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток сначала тормозится на некотором характерном расстоянии от объекта, равном радиусу Альвена, где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате развития типа Рэлея – Тейлора происходит проникновение вещества в магнитное поле с последующим падением вдоль магнитных силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется вся энергия. Если компактный объект вращается и ось вращения не совпадает с осью диполя, то аккрецирующий объект будет наблюдаться как .

Чёрная дыра не имеет реальной поверхности, и радиально падающее вещество свободно проникает внутрь её горизонта событий. Вблизи вращающейся чёрной дыры под влиянием вихревой компоненты гравитационного поля вещество отклоняется в своём движении в сторону вращения чёрной дыры.

Картина сферически симметричной аккреции существенно усложняется, если в падающем сильно ионизованном газе присутствует магнитное поле. Радиальная компонента магнитного поля в процессе аккреции возрастает столь сильно, что эффективная сила со стороны магнитного поля () начинает тормозить падающее вещество. При наличии переменного магнитного поля возможны: а) механизмы ускорения заряженных частиц индукционным электрическим полем с последующим высвечиванием энергии в магнитном поле; б) процессы магнитного поля в с . Аккрецируемый поток становится неоднородным и иррегулярным. Имеет место вспышечное спорадическое энерговыделение с характерными временами порядка времени свободного падения с данного радиуса. Мощность отдельных вспышек возрастает по мере приближения к гравитирующему центру. Эффективность энерговыделения квазисферической аккреции на чёрную дыру при наличии в падающем потоке магнитного поля может достигать 20–30 % от энергии покоя аккрецируемого вещества.

При сверхзвуковом движении тяготеющего центра относительно газового облака возникает лобовая (впереди), переходящая в конусоподобную (позади) аксиально симметричная ударная волна. Положение и расстояние ударной волны от оси симметрии определяется газа, испытавшего торможение в момент пересечения фронта ударной волны. Бóльшая часть газа после прохождения фронта вдали от тяготеющего центра уходит от него, меньшая часть захватывается гравитационным центром и падает на него. Характерное расстояние (радиус захвата), отделяющее один поток от другого, пропорционально массе центра и обратно пропорционально квадрату относительной скорости движения. По мере приближения к гравитирующему центру происходит сферизация аккрецируемого потока.

Наличие у аккрецируемого вещества большого удельного препятствует прямому падению вещества на тяготеющий центр. В этом случае вокруг последнего начинает формироваться дифференциально вращающаяся дискообразная структура – . Наличие внутри диска эффективных механизмов , создаваемых и магнитными полями, может приводить к обмену моментом импульса между соседними слоями диска. В этом случае возможно медленное радиальное движение вещества в направлении тяготеющего центра – дисковая аккреция. Внутренние части аккреционного диска, отдавая свой момент импульса более удалённым частям, медленно приближаются к гравитирующему центру, естественно ускоряясь в круговом вращении. Процесс дисковой аккреции носит диффузионный характер с характерным временем «падения», пропорциональным квадрату расстояния до тяготеющего центра и обратно пропорциональным эффективному коэффициенту кинематической вязкости. Этот процесс сопровождается выделением гравитационной энергии, бóльшая часть которой выделяется вблизи внутреннего края аккреционного диска. Часть этой энергии переходит в кинетическую энергию кеплерового вращения, другая часть превращается в тепловую энергию хаотического движения частиц. Вследствие этого аккреционные диски часто являются мощными источниками излучения в разных диапазонах спектра электромагнитных волн.

  • Конечные стадии эволюции звёзд
  • Физика чёрных дыр
  • Астрофизические процессы и явления
  • Вырожденные звёзды