Аккреционным диском является газовый диск, который образуется вокруг компактных звездных остатков (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр). Этот диск состоит либо из вещества, которое захвачено с поверхности соседних звезд, является остатками разорванных звезд или представляет собой межзвездную среду. Исследование аккреционных дисков позволяет изучить вещество в экстремальных состояниях. К примеру, с температурой в миллионы или даже триллионы Кельвинов. Хотя аккреционный диск характерен для звездных остатков, он обладает большим количеством сходств с обычным протопланетным диском молодых звезд.

Лекция известного астрофизика и популяризатора науки, доктора физико-математических наук Сергея Борисовича Попова об аккреции

Механизм образования

Чаще всего аккреционные диски появляются в тесных двойных системах, в шаровых скоплениях и центральных частях галактик. Очевидно, что подобные области отличаются максимальной плотностью межзвездного газа (пыли) и звезд. Образование диска связано с тем, что вектор скорости падающего вещества направлен не к центру диска, а по касательной к нему.

Симуляция аккреционного диска

Механика дисковой аккреции

Механика уменьшения орбитального расстояния от центра диска с дальнейшим падением вещества диска на центральный объект, вызвана потерями энергии во время трения различных слоев газа друг об друга. Механизм движения вещества в аккреционном диске был впервые постулирован лордом Рэлеем в начале 20 века, а механизм движения с ускорением был обнародован Джефри Тейлором в середине 20 века.

В случае большой массы акреционного диска относительно центрального объекта часто происходит образование полярных джетов – струй вещества, выбрасываемых перпендикулярно оси вращения центрального объекта диска. Во многих случаях вещество в подобных струях движется с околосветовыми скоростями. В связи с этим часто подобные джеты называются релятивистскими. Высказываются соображения, что образование подобных джетов связано со сверхмощными магнитными полями.

Если подобный полярный джет аккреционного диска сверхмассивной черной дыры (квазара) направлен к земному наблюдателю, то подобный объект называют блазаром. Блазары обладают большой переменностью. Недавно один из блазаров стал источником обнаруженного нейтринного излучения. Подобное излучение было обнаружено с помощью обсерватории IceCube в Антарктиде, и является первым случаем регистрации нейтринного излучения от внегалактического объекта, за исключением сверхновой 1987 года, вспыхнувшей в соседней галактике Большое Магелланово облако. В тоже время “нейтринный” блазар, находится в тысячи раз дальше близких галактик.

Энерговыделение в диске

Разогрев аккреционного диска связан с тем, что вещество в нём движется по законам Кеплера. Если вещество на более высоких орбитах движется с более низкими орбитальными скоростями, то вещество на более низких орбитах движется с более высокими орбитальными скоростями. В результате соприкосновения вещества, движущегося с разными орбитальными скоростями, происходит его разогрев.

Спектр излучения диска

Вещество в аккреционных дисках нагрето до миллионов, миллиардов или даже триллионов градусов Кельвина. В связи с этим, максимум даже теплового излучения аккреционных дисков часто приходится на рентгеновский и гамма-диапазон электромагнитного спектра. Кроме того, для аккреционных дисков характерно нетепловое излучение, которое вызвано ускорением элементарных частиц в сверхсильных магнитных полях нейтронных звезд и белых карликов. Для подобного нетеплового излучения максимум часто приходится на радиодиапазон. В дополнение, аккреционные диски часто являются источником космических лучей сверхвысоких энергий.

Внутренняя граница и светимость диска

Внутренней границей диска называется граница диска, где разделяются стабильные и нестабильные орбиты вещества в диске. Абсолютная светимость аккреционных дисков различается в широких пределах: от минимальной, которая значительно меньше даже светимости тусклых белых карликов до максимальной, значительно превышающей свет всех звезд в своей галактике. В последнем случае речь идет об объектах, которые называются сверхновые первого типа и квазары.

Пограничный слой

Пограничным слоем аккреционного диска условно называется узкая область диска, в котором вещество совершает меньше одного орбитального оборота перед падением на центральный объект диска.

Неустойчивости и переменность излучения

Неустойчивости аккреционных дисков связаны с накоплением вещества на поверхности центрального объекта диска (к примеру, белого карлика или нейтронной звезды). В случае черной дыры неустойчивость часто вызвана увеличивающимся процессом возмущений плотности.

Диски вокруг сверхмассивных чёрных дыр

Исторически аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр (СЧД) были открыты одними из первых. Это связано с тем, что они представляют собой одни из ярчайших радиоисточников на небе. Когда в 50х годах 20 века английские астрономы составили первые каталоги ярчайших радиоисточников, они обнаружили, что многие из них связаны либо с галактиками аномальной формы либо с загадочными звездами. Последующие исследования показали, что первый класс источников связан со сталкивающимися или взаимодействующими галактиками. Вероятно, столкновения галактик приводит к тому, что большое количество звезд и межзвездного газа (пыли) попадает в окрестности СЧД. Подобный процесс активизирует быстрый рост СЧД и большую светимость их аккреционных дисков.

Примерами подобных объектов являются радиогалактики Дева А и Лебедь А. Хотя второй класс объектов был первоначально ассоциирован с обычными звездами, последующие исследования показали, что это далеко не так. Спектроскопия “радиозвезд” показала, что такие объекты обладают крайне необычными спектрами, первоначально не удавалось идентифицировать ни одну из спектральных линий. Лишь спустя некоторое время теоретики догадались, что необычный спектр подобных радиозвезд вызван их огромным красным смещением. Следовательно, такие объекты удалены от земного наблюдателя на огромные расстояния – многие миллиарды световых лет. Стало очевидно, что радиозвезды представляют собой ультраяркие галактики с необъяснимо высокой светимостью. Подобные радиозвезды получили название квазары или квазиозвездные объекты. Самым известным из них является квазар 3С273, видимая яркость которого в оптическом диапазоне достигает 13 звездной величины. Долгое время в объяснение физической природы квазаров соперничали две точки зрения: очень массивные молодые галактики с большим темпом звездообразования и аккреционные диски СЧД. Накопление фотометрической информации показало, что квазары обладают большой переменностью в оптическом диапазоне на интервале из нескольких дней или месяцев. По причине конечной скорости света подобная переменность означала, что размер источника огромной светимости квазаров заключен в пределах лишь нескольких парсек. Окончательно версия СЧД в центрах галактик как источника излучения квазаров стала преобладать после того, как снимки космического телескопа “Хаббл” показали, что часто окрестности квазаров представляют собой спиральные рукава.

Масса СЧД заключена в пределах от нескольких миллионов масс Солнца до нескольких триллионов масс Солнца. Промежуточным типом массивных черных дыр между СЧД и обычными черными дырами звездных масс являются черные дыры, которые формируются в центрах шаровых скоплений. В настоящее время российская астрономия выходит на лидирующие позиции в изучении и каталогизации СЧД. В ближайшее время ожидается запуск космической обсерватории “Спектр-РГ”, которая проведет многолетний обзор всего неба в рентгеновском диапазоне. Ожидается, что эта обсерватория проведет перепись почти всех СЧД во Вселенной – их число близко к нескольким миллионам. Для сравнения немецкая космическая обсерватория “Росат” в 90-х годах 20 века зарегистрировала рентгеновское излучение примерно у нескольких десятков тысяч СЧД. Кроме того, большой вклад в изучение квазаров внесла космическая обсерватория “Спектр-Р”, которая работает в радиодиапазоне. По её наблюдениям эффективная температура аккреционных дисков квазаров составляет 10-40 триллионов Кельвинов. К сожалению, этой радиоастрономической обсерватории с рекордно большой базой не удалось провести наблюдения аккреционного диска СЧД в центре нашей галактики. Помешало фоновое излучение густых облаков, состоящих из межзвездных облаков газа и пыли. В связи с этим изучение объекта будет осуществляться с помощью будущей космической обсерватории “Миллиметрон”. Похожие наблюдения в настоящее время пытаются проводить с помощью проекта Event Horizon Telescope.

Подробная лекция о проекте “Спектр-Р”

Дисковая аккреция на белые карлики и нейтронные звезды

Белые карлики зачастую являются частью тесных двойных систем, второй компонент которых — самый распространенный тип звезд в галактике – красные карлики. Так как размер белого карлика примерно равен размеру нашей планеты, а масса сравнима с массой Солнца, то подобные остатки звезд обладают огромной первой космической скоростью. В связи с этим белые карлики притягивают к себе вещество с внешних слоев соседних звезд. Аккреционные диски белых карликов обладают большой нестабильностью, которая вызвана накоплением водорода на их поверхности.

Подобная нестабильность часто приводит к громадным термоядерным взрывам. Различаются несколько типов подобной переменности аккреционных дисков  белых карликов: карликовые новые, новые и сверхновые первого типа. Последний тип звездной активности вызван превышением предела Чандрасекара, т.е. как только масса белого карлика превышает 1.4 масс Солнца происходит его гравитационный коллапс в нейтронную звезду. Впрочем, насчет последнего типа часто существует мнение, что сверхновые первого типа представляют собой процесс слияния двух белых карликов. Это вызвано их радикальным отличием от сверхновых второго типа. Если для сверхновых первого типа характерна похожесть абсолютного блеска и отсутствие линий водорода, то для сверхновых второго типа характерны большие различия в абсолютном блеске, а так же присутствие линий водорода.

Сейчас считается, что сверхновые второго типа представляют собой стадию коллапса массивных звезд. В связи с тем, что сверхновые первого типа очень похожи друг на друга по форме фотометрических кривых, они часто являются универсальным стандартом в шкале внегалактических расстояний. Так изучение сверхновых первого типа привело к обнаружению ускоренного расширения Вселенной. Подобное расширение в 1998 году было объяснено наличием темной энергии во Вселенной, на которую приходится около ¾ всей массы Вселенной. За данное открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Кроме аккреции вещества соседних звезд на поверхность белых карликов часто наблюдается аккреция остатков разрушенных планет и астероидов во время стадии красного гиганта. Подобная аккреция обогащает фотосферу белого карлика тяжелыми элементами (химические элементы тяжелее водорода и гелия). Современные наблюдения показывают, что около половины из белых карликов обладают “загрязненной” поверхностью.

Считается, что дисковая аккреция на нейтронные звезды ускоряет их вращение. Подобная аккреция приводит к сильному рентгеновскому излучению, которое изменяется с таким же периодом обращения, который характерен и для пульсара.