Dysk akrecyjny
Z Wikipedii
Dysk akrecyjny jest to wirująca struktura uformowana przez pył i gaz, opadający na silne źródło grawitacji. Obiektem centralnym, na który opada materia, jest najczęściej czarna dziura, gwiazda neutronowa, biały karzeł bądź młoda gwiazda. Spiralne opadanie materii do centrum różni dyski akrecyjne od struktury typu pierścieni Saturna.
Aby materia obdarzona momentem pędu mogła osiadać na obiekcie centralnym, musi tracić cześć moment pędu, ale całkowity moment pędu układu ciał nie może zmienić się, dlatego musi wystąpić przekazywanie momentu pędu opadającej materii do ciała centralnego lub zewnętrznych elementów dysku. W wyniku opadania następuje wyzwalanie energii potencjalnej grawitacyjnej w formie ciepła, a następnie wyświecenie jej w formie promieniowania elektromagnetycznego. Zakres widmowy tego promieniowania zależy przede wszystkim od typu obiektu centralnego: dyski akrecyjne wokół młodych gwiazd świecą w podczerwieni, dyski akrecyjne wokół gwiazd neutronowych i czarnych dziur świecą w zakresie rentgenowskim, natomiast dyski akrecyjne w kwazarach widoczne są przede wszystkim w zakresie optycznym i nadfioletowym.
Najbardziej efektowne dyski akrecyjne to te, które formują się wokół czarnych dziur. Znaczne siły grawitacyjne, które występują w pobliżu takich obiektów, powodują, że tarcie, które zachodzi w materii dysku jest niezwykle silne, szczególnie tuż przy horyzoncie zdarzeń. W galaktycznych czarnych dziurach, takich jak Cygnus X-1 materia rozgrzewa się wtedy do temperatury rzędu miliona kelwinów emitując promienie Röntgena. Dyski w kwazarach nie są tak gorące, ale za to niezwykle jasne - mogą emitować więcej promieniowania niż całe galaktyki.
Opadająca materia dysku akrecyjnego może pochodzić od gwiazdy - towarzysza, tak dzieje się w układach podwójnych gwiazd, takich jak rentgenowskie układy podwójne czy gwiazdy zmienne wybuchowe (układy kataklizmiczne), gdzie oddziaływanie jednej gwiazdy powoduje wysysanie materii z powierzchni gwiazdy drugiej. Precyzyjniej, ma to miejsce, gdy jedna z gwiazd wypełnia swoją powierzchnię Roche'a. Zjawisko akrecji może też następować, jeżeli jedną z gwiazd charakteryzuje silny wiatr gwiazdowy, także wtedy gwiazda druga ma możliwość przejmowania części tego wiatru i następuje tworzenie się dysku akrecyjnego. Moment pędu opadającej materii pochodzi w obu przypadkach z orbitalnego momentu pędu ruchu dwóch gwiazd.
Opadająca materia może pochodzić też z dostatecznie gęstego gazu i pyłu znajdującego się wokół obiektu centralnego, tak jak to jest w przypadku młodych gwiazd i protogwiazd, otoczonych pozostałościami obłoku, z którego powstały. Masywne czarne dziury w jądrach galaktyk także czerpią materię z galaktyki macierzystej. W szczególnych przypadkach możliwe jest krótkotrwałe uformowanie się dysku akrecyjnego w wyniku przechwycenia i rozerwania przez czarną dziurę przypadkowo przelatującej w pobliżu gwiazdy.
Spis treści |
[edytuj] Mechanizm lepkości
Mechanizm redystrybucji momentu pędu przez długi czas nie był znany. Pierwsze kompletne teoretyczne modele dysków akrecyjnych formułowano w oparciu o rozsądne założenie, że im większe jest ciśnienie w dysku, tym większa też i lepkość (Shakura i Sunyaev 1973). Balbus i Hawley (w 1991) opierając się na równaniach magnetohydrodynamiki pokazali, że rozwijające się w dysku akrecyjnym nieuporządkowane pole magnetyczne powoduje właśnie pożądany efekt przekazu momentu pędu na zewnątrz, a spływ materii do środka.
[edytuj] Wpływ pola magnetycznego
Wielką rolę w kształtowaniu się dysku oraz dżetów pełni pole magnetyczne gwiazdy. Pole magnetyczne zmienia tor cząstek opadających na gwiazdę a cząstki zmieniają pole magnetyczne. Szczególnym miejscem jest płaszczyzna, w której pole magnetyczne jest prostopadłe do pola grawitacyjnego (jest to płaszczyzna dysku). Cząstki poruszające się w tym obszarze prostopadle do pola magnetycznego pozostają w tym obszarze pole magnetyczne zmniejsza szybkość opadania ich na gwiazdę. Cząstki opadające na gwiazdę nie prostopadle do pola magnetycznego poruszają się liniami śrubowymi wzdłuż linii pola magnetycznego, w wyniku czego uderzają w gwiazdę w okolicy bieguna. W miejscu zderzenia cząsteczek opadających i atmosfery gwiazdy w miejscu zderzeń gwiazda ulega silnemu rozgrzaniu, w wyniku zderzeń część cząstek zostaje wyrzucona z gwiazdy. Gwiazdę mogą opuścić tylko te które wyrzucane są w okolicach biegunów poruszają się liniami śrubowymi wzdłuż linii pola magnetycznego tworząc dżety, ruch po linii śrubowej ogniskuje cząstki w dżecie. Cząstki wyrzucane pod zbyt dużym kątem lub dalej od bieguna trafiają na linie pola magnetycznego które prowadzą w okolice drugiego bieguna i tam trafiają cząstki.
Zgodnie z regułą Lenza cząstka poruszająca się ruchem zmiennym (przyspieszonym) lub w niejednorodnym polu magnetycznym zmienia swój ruch i pole magnetyczne. I tak cząstki opadające poruszają się we wzrastającym polu magnetycznym, co powoduje osłabienie pola za cząstką a zwiększenie pola przed cząstką czyli „ściskanie” pola na gwieździe. Cząstki wyrzucone z gwiazdy są hamowane grawitacją, a poruszając się w dżecie są przyspieszane przez pole magnetyczne, pole magnetyczne przed cząstkami jest wzmacniane a za nimi osłabiane, rozbieżność cząstek i pola jest tłumiona. Cząstka poruszająca się wzdłuż (lub linią śrubową) krzywej linii pola magnetycznego wytwarza pole magnetyczne, które zmniejsza krzywiznę linii pola magnetycznego.
[edytuj] Efekty ogólnej teorii względności
Jeżeli dysk akrecyjny powstaje wokół czarnej dziury, to w wewnętrznych częściach dysku ważną rolę odgrywają efekty ogólnej teorii względności. W teorii Newtona orbity kołowe istnieją zawsze, dowolnie blisko centrum grawitacji. Tak nie jest w przypadku ogólnej teorii względności. Jeżeli czarna dziura nie rotuje, to stabilne orbity kołowe mają promienie trzykrotnie większe niż promień horyzontu czarnej dziury. Bliżej, w odległości mniejszej niż trzy promienie horyzontu, ale większej niż półtora promienia horyzontu, orbity kołowe jeszcze istnieją, ale nie są stabilne i najmniejszy efekt może wytracić cząstkę z orbity i spowodować jej spadek na czarną dziurę. Efekt ten jest o tyle ważny, że dysk wokół czarnej dziury rozciąga się nie do horyzontu zdarzeń czarnej dziury, a do odległości trzykrotnie większej - bliżej materia spada już szybko (naddźwiękowo) do czarnej dziury. Jeżeli czarna dziura rotuje, to położenie charakterystycznych orbit zależy od prędkości obrotowej czarnej dziury. Oznacza to, że efekty ogólnej teorii względności modyfikują znacznie dynamikę wewnętrznych części dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury.
Efekty ogólnej teorii względności mają też duży wpływ na promieniowanie docierające do Ziemi. Fotony emitowane z najbardziej wewnętrznych części dysku ulegają poczerwienieniu grawitacyjnemu, a tor ich lotu ulega także znacznemu ugięciu. Cześć fotonów nie dociera do obserwatora i ginie pod horyzontem czarnej dziury. Jeżeli dysk jest silnie nachylony do kierunku obserwacji, to powinien też występować efekt wzmocnienia promieniowania (ze względu na szybki ruch materii) tej części dysku, która właśnie porusza się w kierunku obserwatora.
Występowanie efektów ogólnej teorii względności można badać w danych obserwacyjnych, szczególnie w zakresie rentgenowskim.
[edytuj] Obserwacje dysków akrecyjnych
[edytuj] Zobacz też
podstawowe zagadnienia z zakresu astronomii
[edytuj] Bibliografia
- M. Demiański, "Astrofizyka relatywistyczna", PWN
- King, Frank and Raine, "Accretion processes in astrophysics", CUP (ang.)
