Файл: Явления нестационарности и звездная эволюция..pdf

236 РЕН Т ГЕН О В С К И Е И С ТО Ч Н И К И В Д В О Й Н Ы Х СИСТЕМАХ [Гл. 6

низмов отвода момента. Отдача момента сопровождается выделением энергии. Передаче момента наружу способ­ ствуют магнитное поле, которое должно присутствовать

вперетекающем веществе, и турбулентные движения ве­ щества.

Наиболее вероятной является картина аккреции с образованием диска вокруг «черной дыры» *) (ЛинденБелл, 1969; Шакура, 1972; Прингл и Рис, 1972; Шакура и Сюняев, 1973; Новиков и Торн, 1973) (рис. 79). Вещество

вдиске из-за трения между соседними слоями отдает свой момент наружу и приближается к «черной дыре»). При этом выделяется гравитационная энергия, часть которой идет на увеличение кинетической энергии вращения, а другая часть диссипирует в тепло и излучается с поверх­ ности диска. Общее энерговыделение, а также вид спект­ рального распределения выходящего излучения прежде всего определяется скоростью аккреции, т. е. темпом пос­ тупления вещества в диск. Характерным параметром яв­

ляется критический поток вещества Шсг, при котором полное энерговыделение в диске L = цс2®} равно предель­ ной эддингтоновской светимости LCI = 1038 SSK/SSKq эрг/сек, характеризующейся равенством силы давления излучения на полностью ионизованное вещество и сил притяжения к звезде (ц — к.п.д. переработки гравитационной энер­ гии: в случае метрики Шварцшильда невращающейся «черной дрыры» г] = 0,06, в метрике Керра с максималь­ ным вращением ц = 0,42**). Для «черной дыры» с массой

3 • 10~ 8 931©/год, ничем не выделен. Возможны как докритический режим дисковой аккреции, так и втекание в диск потока вещества, во много раз превышающего критиче­ ское значение. Ниже при изложении наблюдательных проявлений аккрецирующих «черных дыр» при различных

*) Отметим, что в обычных двойных системах вокруг одной из звезд иногда наблюдаются диски из перетекающего вещества (Крафт, 1963). Теоретически эволюция таких дисков в свое время исследовалась Горбацким (1965).

**) О влиянии вращения на свойства «черной дыры» (радиус последней устойчивой кеплеровской орбиты, энергия связи на этой орбите, равная г ) т с 2 , и т. п . ) см. книгу Зельдовича и Новикова

(1971).

§ 1] К А РТИ Н А А К К РЕ Ц И И Н А ; РЕЛ Я ТИ В И С Т С К И Е О Б Ъ Е К Т Ы 237

скоростях аккреции используются результаты расчетов Шакуры и Сюняева (1973).

При существенно докритических потоках Ж — 10 12 — —10~ 10 ЗЯ@/год. светимость диска L = 103 4 —1036эрг/сек. Максимальные температуры в области диска, где выде­ ляется основная часть энергии, Tett ^ 3-105 —10® °К. Эта энергия излучается главным образом в недоступных для

Рис. 79. Дисковая модель аккреции в [двойной системе .с [реляти­ вистской звездой.

прямых наблюдений ультрафиолетовом и мягком рентгенов­ ском диапазонах. Однако это излучение может дать опре­ деленный вклад в галактическую компоненту мягкого рентгеновского фона и в тепловой и ионизационный ба­ ланс межзвездной среды.

Локальный (в каждой точке диска) спектр излучения Fv диска (чернотельный лишь в частных случаях) форми­ руется в верхних слоях его атмосферы и зависит от рас­ стояния до «черной дыры» и распределения вещества по z-координате. Интегральный спектр (рис. 81) определя­

ется выражением = 2я ^F4 (R) RdR. Для дисковой аккре­

ции характерна слабая степенная зависимость интен­ сивности излучения от частоты / v ~ v'-н 1 при hv

кТтах. При этом заметной оказывается и оптическая светимость «черной дыры». Оценки показывают, что

для «черных дыр» с 9R = 10 Ж0 даже при 3R = 1О~9 ?К0/год можно ожидать оптической светимости порядка солнечной.

238 РЕН Т Г Е Н О В С К И Е И С ТО Ч Н И К И В Д В О Й Н Ы Х СИСТЕМАХ [Гл. С

В действительности оптическая светимость может ока­ заться намного больше. Это связано с переработкой жест­ кого излучения центральных областей диска его внешни­ ми слоями. Толщина диска увеличивается с удалением от «черной дыры» (рис. 80). Поэтому внешние части диска должны эффективно поглощать и перерабатывать в ульт­ рафиолетовые и оптические кванты падающее на них рент­ геновское излучение из центральных областей диска.

Рис. 80. Толщина диска в зависимости от расстояния до аккрецирую­ щей звезды при разных потоках вещества. Стрелками показаны тра­ ектории рентгеновских и ультрафиолетовых квантов, ведущих к нагреву и испарению вещества внешних областей диска. Образую­ щаяся при этом корона из горячего вещества обозначена точками.

Таким образом может переизлучаться от 0,1 до 10% пол­ ной светимости диска. Перерабатывается жесткое излу­ чение в основном в линии различных элементов. Наблю­ даться должно сильное рекомбинационное свечение во­ дорода (при кажущемся отсутствии источника ионизации), но возможно и появление линий высокоионизованных эле­ ментов. Все линии должны быть расширены, так как ве­ щество в диске обладает большой скоростью (Js 1 0 0 км/сек) вращения. Плотность вещества в диске высокая и запре­ щенные линии отсутствуют.

Значительная ультрафиолетовая светимость диска мо­ жет привести к образованию заметной зоны Стремгрена, что, конечно, должно отличать релятивистские звезды от нормальных оптических звезд со сравнимой оптической светимостью. При некоторых условиях жесткое излучение центральных областей диска может нагревать вещество во внешних его областях до высоких температур и испа­ рять диск, уменьшая поступление вещества к коллапсару. Такая авторегулировка аккреции может существенно влиять на светимость диска вокруг коллапсара.

оказывается мощной рентгеновской звездой со светимос­

Рис. 81. Интегральный спектр излучения диска при различных по­ токах аккреции М и эффективностях передачи углового момента а.

По оси абсцисс hv/(kT = 108 °К).

периферийными областями диска) в оптической и ультрафиолетовой областях спектра. В тесных парах значительная доля рентгеновского излучения коллапсара может попадать на поверхность нормальной звезды и преизлучаться ее атмосферой, что должно приводить к необычным оптическим проявлениям такой системы.

Коллапсары, светящиеся за счет аккреции, может от­ личать апериодическая переменность их свойств, флук­ туации блеска, прежде всего связанные с непостоянством потока падающего вещества, его неоднородностью. В разделенных системах при наличии эксцентриситета ор­ биты на эти вспышки должно накладываться (в общем случае несинусоидальное!) изменение светимости, обус­ ловленное тем, что коллапсар в перигее своей орбиты по­ падает в более плотную часть потока вещества.

240 РЕН Т Г Е Н О В С К И Е И СТО Ч Н И К И В Д В О Й Н Ы Х СИСТЕМАХ [Гл. 6

При докритическом втекании вещества в полость Ро­ ша коллапсара можно полагать, что значительная часть втекающего вещества подвергается аккреции. Качествен­ но иная картина должна осуществляться в сверхкрити­ ческом режиме втекания вещества в полость Роша коллап­ сара или нейтронной звезды (здесь нет принципиальной разницы). В диске вблизи коллапсара появляется область, из которой происходит эффективный отток вещества под действием давления излучения. Отток начинается с радиу­ са, вблизи которого сравниваются силы лучистого давле­ ния и гравитации, прижимающей вещество к плоскости диска. Под радиус 3Rg = 6 G®l/c2 попадает лишь крити­ ческий поток вещества, весь остальной газ выбрасывается наружу.

Рентгеновское излучение центральных областей диска начинает поглощаться оттекающей газовой оболочкой и перерабатываться в более мягкие кванты. В сильно сверх­ критическом режиме аккреции основная часть энергии переизлучается с поверхности оттекающей оболочки в ультрафиолетовой и оптической областях спектра, свети­ мость черной дыры зафиксирована на эддингтоновском

пределе LCTl 1038 ал®эрг/сек. Горячую истекающую звезду

опоясывает более холодный диск, по которому аккреци­ рующее вещество поступает к «черной дыре». Возможны затмения как «черной дыры» нормальной компонентой, так и нормальной звезды оттекающим веществом. Послед­ нее непрозрачно по томсоновскому рассеянию на больших расстояниях (1 0 1 0 —1 0 12 см) от «черной дыры».

Таким образом, в зависимости от скорости аккреции «черные дыры» в двойных системах могут скрываться как

ких оптических звезд с большой светимостью (L ~ 1 0 38—

— 1039 эрг/сек). Но все же самой характерной чертой «чер­ ной дыры» в тесной двойной системе является ее рентге­ новское излучения. При этом рентгеновскими звездами могут быть лишь те коллапсары, светимость которых пре­ вышает 1036 эрг/сек. При’ меньшей1 светимости мала эф­ фективная температура излучения и экспоненциально ма­ ла доля энергии, излучаемая в рентгеновском диапазоне. Обнаружение компактных рентгеновских звезд с массой

НNSс

выделяется гравитационная энергия до 0,2 тп0с2. Наблю­ дательные проявления аккрецирующих нейтронных звезд без сильных магнитных полей практически не отличаются

Ножедоя

Рис. 82. Картина дисковой аккреции на замагниченную вращающу юся нейтронную звезду. Схематично показаны внутренняя граница диска и последующее течение газа в область магнитных полюсов, возможные диаграммы направленности рентгеновского излучения:

ножевая и карандашная (заштрихована).

от описанной выше картины аккреции на «черную дыру». Различны лишь массы этих объектов. Однако аккреция на вращающуюся нейтронную звезду с магнитным полем, направление которого не совпадает с осью вращения, может привести к феномену рентгеновского пульсара (Амнуэль и Гусейнов, 1968; Шварцман, 1971; Прингл и Рис, 1972). Именно таким образом интерпретируется пуль­ сирующее излучение рентгеновских источников Cen Х-3, Her Х-1. Картина дисковой аккреции нарушается на радиу-

# 2 и - в

се, где плотность энергии магнитного поля -g^- — я сравнивается с плотностью кинетической энергии потока аккрецирующего вещества W ~ р . В дальнейшем

магнитное поле канализирует аккрецию, направляя па­ дающее вещество в область магнитных полюсов (рис. 82).