Аккреционные диски вокруг компактных объектов

Структура аккреционного диска

Аккреционные диски формируются вокруг компактных объектов — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр — в результате падения вещества с соседней звезды или межзвездного газа. Вещество, обладающее угловым моментом, не может падать напрямую на компактный объект, поэтому оно образует вращающийся диск. Основные характеристики диска определяются его радиальным распределением плотности, температуры и скорости вещества.

Внутренние слои диска, ближе к компактному объекту, обладают высокой температурой и плотностью, что приводит к интенсивному излучению, преимущественно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. Внешние слои диска более холодные и излучают в видимом и инфракрасном диапазоне.

Геометрически аккреционные диски бывают тонкими и толстыми. Тонкий диск характеризуется малой вертикальной толщиной H по сравнению с радиусом R (H ≪ R), что позволяет использовать приближение плоского диска. Толстый диск (H ∼ R) возникает при высокой скорости аккреции или вблизи черной дыры, где релятивистские эффекты значительно меняют структуру диска.

Механизм переноса углового момента

Для аккреции необходимо, чтобы вещество диска теряло угловой момент. Основным механизмом переноса углового момента является внутренняя вязкость диска. В классической модели Шakura–Суньяева вводится параметр α, который связывает вязкость с локальными термодинамическими характеристиками диска:

ν = αc_sH,

где ν — кинематическая вязкость, c_s — скорость звука в диске, H — вертикальная толщина диска, а α — безразмерный параметр, обычно α ∼ 0.01 − 0.1.

Внутренняя вязкость приводит к перераспределению энергии и углового момента: вещество вблизи компактного объекта ускоряется и нагревается, отдавая часть углового момента наружу, где вещество замедляется и охлаждается.

Энергетический баланс и излучение диска

Энергия, выделяемая в диске, определяется падением гравитационной потенциальной энергии вещества:

$$ \frac{dE}{dt} \sim \frac{GM \dot{M}}{R}, $$

где M — масса центрального объекта, Ṁ — скорость аккреции, R — радиус диска. В тонком диске с эффективной радиацией выделенная энергия уходит на излучение, и температура диска в радиальном направлении распределяется по закону:

$$ T(R) \sim \left( \frac{3GM \dot{M}}{8 \pi \sigma R^3} \right)^{1/4}, $$

где σ — постоянная Стефана–Больцмана. Таким образом, внутренняя область диска горячее и излучает преимущественно в рентгеновском диапазоне, а внешняя — в оптическом и инфракрасном.

Релятивистские эффекты вблизи компактных объектов

Вблизи нейтронных звезд и черных дыр, где потенциал гравитационного поля очень высок, релятивистские эффекты становятся ключевыми. Среди них:

• Гравитационное сжатие и красное смещение: излучение, покидающее внутренние слои диска, подвергается значительному гравитационному красному смещению, что изменяет спектр и интенсивность наблюдаемого излучения.
• Эффект Лензе–Тирринга: вращение черной дыры закручивает пространство-время, что влияет на орбитальные скорости и стабильность аккреционного диска.
• Внутренний радиус диска: для черной дыры с горизонтом событий внутренний край стабильного диска ограничен радиусом последней устойчивой орбиты $R_{\rm ISCO}$, который зависит от спина черной дыры.

Магнитные поля и аккреция

Магнитные поля играют решающую роль в переносе углового момента и формировании джетов. Вещество диска может взаимодействовать с магнитным полем центрального объекта, создавая:

• Магнитно-гидродинамическую турбулентность (MRI), усиливающую эффективную вязкость и ускоряющую аккрецию.
• Коллимированные джеты, которые вырываются вдоль оси вращения, унося часть углового момента и энергии из системы.

Магнитные эффекты особенно сильны вокруг нейтронных звезд с мощными магнитными полями (B ∼ 10⁸ − 10¹² Гс).

Вариабельность аккреционных дисков

Аккреционные диски демонстрируют наблюдаемую временную изменчивость излучения, связанную с:

• Турбулентностью и локальными флуктуациями плотности и температуры.
• Тепловой и гравитационной нестабильностью в тонких дисках, что может приводить к циклам накопления и слива вещества.
• Квазипериодическими осцилляциями (QPO), наблюдаемыми в рентгеновских бинарных системах, обусловленными внутренними релятивистскими эффектами и взаимодействием диска с магнитным полем.

Спектроскопические признаки и наблюдения

Излучение аккреционных дисков часто проявляется в виде многокомпонентного спектра:

• Тепловое излучение внутреннего диска, близкое к чернотельному спектру.
• Нелинейные эффекты комтоновского рассеяния, приводящие к жесткому рентгеновскому компоненту.
• Линия железа Fe Kα, смещённая и расширенная за счет релятивистских эффектов, позволяющая исследовать спин черной дыры и внутреннюю структуру диска.

Заключение о роли аккреционных дисков

Аккреционные диски вокруг компактных объектов — это ключевой механизм преобразования гравитационной энергии в излучение и формирования джетов. Их исследование сочетает классическую гидродинамику, магнитную динамику и релятивистскую физику, что делает их одной из наиболее информативных лабораторий экстремальной астрофизики.