---

<< 9.1 Galaktiki. Obshie svedeniya. | Oglavlenie | 9.3 Eddingtonovskii predel svetimosti >>

Razdely

• 9.2.1 Osnovnye nablyudaemye svoistva
• 9.2.2 Mehanizmy aktivnosti galakticheskih yader
• 9.2.3 Model' akkrecii veshestva na sverhmasivnuyu chernuyu dyru.
• 9.2.4 Effektivnost' akkrecii veshestva na chernye dyry
• 9.2.5 Prilivnoe razrushenie zvezd v okrestnostyah sverhmassivnoi chernoi dyry

---

9.2 Kvazary i aktivnye galakticheskie yadra.

Galaktiki otlichayutsya bol'shim raznoobraziem. Sredi nih vydelyayutsya galaktiki s aktivnymi yadrami, v kotoryh proishodit ogromnoe energovydelenie. K klassu aktivnyh yader galaktik otnosyatsya kvazary, seifertovskie galaktiki, radiogalaktiki, ob'ekty tipa BL Yashericy (lacertidy).

9.2.1 Osnovnye nablyudaemye svoistva

V 1960 g. byli obnaruzheny radioistochniki s malymi uglovymi razmerami (menee 10 sek. dugi), kotorye zatem byli otozhdestvleny so zvezdoobraznymi ob'ektami v poticheskom diapazone (kvazar - abbreviatura ot angl. QUASi-stellAR Radiosource). V 1963 g. Marten Shmidt (M.Schmidt) snyal spektr istochnika 3S 273. V spektre byli vidny shirokie emissionnye linii Bal'merovskoi serii vodoroda i odnokratno ionizovannogo magniya (Mg II) a krasnoe smeshenie okazalos' (t.e. rasstoyanie do istochnika Mpk). V nastoyashee vremya izvestno okolo 10 tys. kvazarov, a maksimal'noe krasnoe smeshenie, s kotorogo nablyudayutsya kvazary, svyshe 6!

Osnovnye fenomenologicheskie svoistva kvazarov sleduyushie.

1. Bol'shoe krasnoe smeshenie (dalekie ob'ekty), (2002)

2. neteplovoi (stepennoi) nepreryvnyi spektr elektromagnitnogo izlucheniya vo vsem diapazone dlin voln

3. shirokie linii izlucheniya v razreshennyh liniyah (shirina do 2000 km/s) i uzkie zapreshennye emissionnye linii (kak v gazovyh tumannostyah)

4. peremennost' izlucheniya na vremenah ot neskol'kih dnei do neskol'kih mesyacev, otkuda ocenka na harakternyi razmer izluchayushei oblasti sm pk (Zamechanie: nailuchshee ogranichenie na razmer izluchayushei oblasti v kvazarah polucheno v 1989 g. iz nablyudenii mikrolinzirovaniya kvazarov i sostavlyaet sm - vsego 60 astronomicheskih edinic!)

5. ogromnaya svetimost' erg/s (dlya sravneniya: polnaya svetimost' gigantskoi spiral'noi galaktiki tipa nashei erg/s)

6. chasto vokrug kvazara vidna "hozyaiskaya" (host) galaktika razlichnoi morfologii (ellipticheskaya ili spiral'naya). Dovol'no chasto aktivnye yadra nablyudayutsya vo vzaimodeistvuyushih (slivayushihsya) galaktikah

7. chasto nablyudayutsya truinye vybrosy (dzhety) chastic s relyativistskimi skorostyami (do 0.99 s), vidimye v radiodiapazone do rasstoyanii v neskol'ko megaparsek.

Shozhie svoistva (neskol'ko v men'shem masshtabe) nablyudaetsya ot aktivnyh yader galaktik (radiogalaktiki, Seifertovskie galaktiki, ob'ekty tipa BL Yashericy (lacertidy)). Vysokaya svetimost' i kompaktnost' izluchayushei oblasti opredelyayut fizicheskoe sostoyanie veshestva vblizi centra kvazara.

Primer: ocenim plotnost' izlucheniya na harakternom rasstoyanii cm ot centra kvazara so svetimost'yu erg/s: erg/sm - na mnogo poryadkov bol'she plotnosti energii reliktovogo izlucheniya ( erg/sm) ili uf-izlucheniya zvezd v Galaktike ( erg/sm).

Aktivnye galaktiki i kvazary sostavlyayut otnositel'no nemnogochislennyi podklass ob'ektov (inymi slovami stadiya aktivnosti kvazara ili yadra galaktiki mnogo men'she habblovskogo vremeni let). Ih prostranstvennaya plotnost':

Obychnye galaktiki .......................... na kub. Mpk

Seifertovskie galaktiki .................... na kub. Mpk

Radiogalaktiki ......................... na kub. Mpk

Kvazary .......................... na kub. Mpk

Po sovremennym predstavleniyam, fenomen aktivnosti galakticheskogo yadra svyazan s opredelennoi fazoi evolyucii galaktik, u kotoryh v centre obrazovalis' sverhmassivnye chernye dyry. Maksimal'nyi temp formirovaniya takih galaktik prihodilsya na epohu, harakterizuemuyu krasnym smesheniem . Po-vidimomu: imenno na etih krasnyh smesheniyah proishodilo naibolee aktivnoe vzaimodeistvie galaktik drug s drugom, chto iniciirovalo aktivnoe zvezdoobrazovanie i kak rezul'tat obogashalo central'nye oblasti galaktik gazom, "pitayushim" sverhmassivnuyu chernuyu dyru v centre.

9.2.2 Mehanizmy aktivnosti galakticheskih yader

Istoricheski bylo predlozheno tri osnovnyh mehanizma generacii energii v kompaktnoi oblasti v centre galaktik:

1. Vspyshki Sverhnovyh zvezd v kompaktnom zvezdnom skoplenii v centre galaktiki. Ot etoi modeli bystro otkazalis' posle otkrytiya peremennosti izlucheniya yader.

2. Sverhmassivnaya zvezda, ravnovesie kotoroi podderzhivaetsya vrasheniem i magnitnym polem (L.M. Ozernoi). Predskazyvaet periodichnost' izlucheniya (ne nablyudaaetsya) i imeet problemy s ustoichivost'yu takoi konfiguracii.

3. Akkreciya (padenie, ot lat. "accretio", natyagivayu) veshestva na sverhmassivnuyu chernuyu dyru

Poslednyaya model' naibolee razrabotana, v ee ramkah polucheno ob'yasnenie mnogim nablyudatel'nym svoistvam (vysokaya svetimost', kompaktnost', spektr). Rassmotrim ee bolee podrobno, tak kak na ee primere vidna vazhnaya rol' akkrecii veshestva na gravitiruyushii centr v astrofizike voobshe.

9.2.3 Model' akkrecii veshestva na sverhmasivnuyu chernuyu dyru.

Vozniknovenie massivnyh chernyh dyr v centrah galaktik sleduet iz obshih evolyucionnyh soobrazhenii, kotorye my za otstutstviem mesta ne obsuzhdaem. K 1997 g. v centrah primerno 10 galaktik po dvizheniyu zvezd i gaza byli obnaruzheny sverhmassivnye chernye dyry:

M87 -

NGC 3115 -

NGC 4486 -

NGC 4594 (Sombrero) -

NGC 3377 -

NGC 3379 -

NGC 4258 -

M31 (Andromeda) -

M32 -

Etot spisok postoyanno popolnyaetsya i k 2002 godu chislo galaktik s izmerrenoi massoi central'noi chernoi dyry svyshe 50 (sm. takzhe poslednii paragraf etoi lekcii).

Massy chernyh dyr opredeleny iz nablyudenii dvizheniya zvezd i gaza v centre galaktik s pomosh'yu kosmicheskogo teleskopa im. Habbla. Deistvitel'no, ustanovivshiesya (stacionarnye) dvizheniya zvezd vblizi chernoi dyry dolzhny podchinyat'sya teoreme viriala , , otkuda dispersiya skorostei zvezd ili krugovaya skorost' vrasheniya gaza na rasstoyanii ot centra galaktiki . Opredelyaya po effektu Dopplera skorosti na uglovom rasstoyanii ot centra galaktiki i znaya rasstoyanie do galaktiki, poluchaem ocenku massy central'noi chernoi dyry.

Massa chernoi dyry v centre nashei Galaktiki poryadka takzhe opredelena po precizionnomu izmereniyu sobstvennogo dvizheniya otdel'nyh zvezd (t.k. centr Galaktiki neprozrachen v opticheskih luchah, izmereniya provodilis' v IK-diapazone).

9.2.4 Effektivnost' akkrecii veshestva na chernye dyry

Kak izvestno, chernaya dyra opisyvaetsya vsego tremya parametrami: massoi (Shvarcshil'dovskaya chernaya dyra), momentom impul'sa (Kerrovskaya chernaya dyra) i elkektricheskim zaryadom (chernaya dyra Kerra-N'yumana). Gorizont sobytii Shvarcshil'dovskoi chernoi dyry (t.n. gravitacionnyi ili Shvarcshil'dovskii radius)

Iz-za malosti gravitacionnogo radiusa dazhe dlya massy Solnca chernye dyry otnosyatsya k kompaktnym zvezdam (hotya konechno bukval'no zvezdami-to oni i ne yavlyayutsya, poetomu pravil'nee govorit' o kompaktnyh relyativistskih ob'ektah).

V N'yutonovskom priblizhenii pri padenii veshestva na tyagoteyushee telo massy M s radiusom R na gramm veshestva vydelyaetsya gravitacionnaya energiya

(zdes' my prenebregli nachal'noi potencial'noi i kineticheskoi energiei na udalennom rasstoyanii ot tyagoteyushego centra). Esli temp akkrecii (gramm v sekundu) , to moshnost' vydelyaemoi energii

gde - effektivnost' energovydeleniya na gramm veshestva.

Esli u tela est' poverhnost' (naprimer, zvezda), gravitacionnaya energiya vydelyaetsya v vide tepla pri udare o poverhnost'. No u chernoi dyry net poverhnosti - chtoby vydelilas' gravitacionnaya energiya, trebuyutsya special'nye rezhimy padeniya. Naprimer, pri strogom sfericheski- simmetrichnom rezhime padeniya na chernuyu dyru effektivnost' energovydelenyai polnost'yu opredelyaetsya fizicheskimi usloviyami v padayushei plazme (plotnost', temperatura, magnitnoe pole) i kak pravilo ochen' nizka, . V real'nyh astrofizicheskih usloviyah plazma v obshem sluchae obladaet otlichnym ot nulya momentom impul'sa , poetomu pri dvizhenii v pole tyagoteyushego tela poyavlyaetsya centrobezhnyi bar'er, . Dlya ego preodoleniya veshestvo dolzhno otdat' moment impul'sa. Dlya etogo neobhodimo, chtoby (1) gaz v diske vrashalsya differencial'no i (2) sushestvoval effektivnyi mehanizm vyazkosti mezhdu sosednimi sloyami. Pevoe trebovanie avtomaticheski vypolnyaetsya prakticheski vsegda, t.k. probnaya chastica s nenulevym momentom impul'sa dvizhetsya v pole tyagoteniya po keplerovskoi orbite. Dlya dvizheniya po krugovoi Keplerovskoi orbite s radiusom tangencial'naya skorost' , krugovaya chastota , poetomu voznikayut otlichnye ot nulya sdvigovye napryazheniya . Esli koefficient dinamicheskoi vyazkosti otlichen ot nulya, to voznikayut vyazkie napryazheniya (t.e. sila treniya, deistvuyushaya na edinicu ploshadi) . Po teoreme iz mehaniki otlichnyi ot nulya moment vyazkih sil, deistvuyushih na kol'co radiusa , privodit k izmeneniyu ego momenta impul'sa. Mehanizm vyazkosti v akkrecionnyh diskah okonchatel'no ne vyyasnen, odnako naibolee veroyatno, chto vyazkost' svyazana s turbulentnymi dvizheniyami plazmy v differencial'no vrashayushemsya gazovom diske. Vozmozhno, vazhnuyu rol' v turbulizacii diska igrayut magnitnye polya, vmorozhennye v kosmicheskuyu plazmu.

Takim obrazom, pri nalichii vyazkosti moment impul'sa peredaetsya vyazkimi napryazheniyami po radiusu vdol' diska naruzhu, pri etom veshestvo nachinaet medlenno priblizhat'sya k central'nomu telu. Etot process nosit diffuzionnyi harakter, Iz-za sil treniya gaz razogrevaetsya do vysokih temperatur, i osvobozhdaemaya gravitacionnaya energiya pererabatyvaetsya v elektromagnitnoe izluchenie. Takie diski (s vyazkost'yu, v otlichie, naprimer, ot kolec Saturna) nazyvayutsya akkrecionnymi. Oni voznikayut v dvoinyh zvezdnyh sistemah pri peretekanii veshestva s odnoi zvezdy na druguyu (takie yavleniya vozmozhny pri evolyucionnom rasshirenii odnoi iz zvezd). Akkrecionye diski takzhe mogut obrazovat'sya vblizi sverhmassivnoi chernoi dyry v centre aktivnoi galaktiki ili kvazara. Veshestvo dlya diska postavlyaetsya zvezdami, razrushayushimisya prilivnymi silami pri proletah vblizi chernoi dyry. Poskol'ku moment impul'sa zvezd otnositel'no chernoi dyry nenulevoi (osobenno v spiral'nyh galaktikah), veshestvo obrazuet disk (v nastoyashee vremya gazo-pylevye diski malyh razmerov v yadrah galaktik neposredstvenno nablyudayutsya v opticheskom i IK-diapazonah s borta kosmicheskogo teleskopa im. Habbla i krupnymi nazemnymi teleskopami).

Akkrecionnye diski vokrug chernyh dyr kak istochniki energii aktivnyh yader galaktik i kvazarov byli kolichesktvenno rassmotreny D. Linden-'ellom i Dzh. Pringlom (Lynden-Bell, Pringle) v 1969 g. Teoriya stacionarnyh akkrecionnyh diskov na kompaktnye ob'ekty v dvoinyh sistemah byla razrabotana v rabotah sovetsvkih astrofizikov N.I. Shakury (1972) i N.I. Shakury i R.A. Syunyaeva (1973). Analiz pokazyvaet, chto polnaya svetimost' akkrecionnogo diska ne zavisit ot mehanizma vyazkosti i opredelyaetsya granichnymi usloviyami - tempom vtekaniya veshestva v disk, , radiusom vnutrennei granicy diska i znacheniem udel'nogo momenta impul'sa na vnutrennei granice^9.1. Esli veshestvo v diske dvizhetsya po Keplerovskim orbitam vplot' do samoi vnutrennei granicy, ego polnaya svetimost'

t.e. ravna rovno polovine vydelyaemoi gravitacionnoi energii (drugaya polovina idet na uvelichenie kineticheskoi energii dvizheniya chastic, v sootvetstvii s teoremoi viriala). Drugimi slovami mozhno skazat', chto svetimost' diska na gramm veshestva v tochnosti ravna gravitacionnoi energii svyazi na vnutrennei granice. Deistvitel'no, v n'yutonovskom sluchae eta energiya est' . Pri akkrecii na chernuyu dyru vnutrennii radius diska opredelyaetsya poslednei ustoichivoi Keplerovskoi orbitoi^9.2. Eto oznachaet, chto pri men'shih rasstoyaniyah do tyagoteyushego centra orbita perestaet byt' zamknutoi i probnaya chastica padaet na tyagoteyushii centr za vremya svobodnogo padeniya. V sluchae nevrashayusheisya chernoi dyry, opisyvayusheisya metrikoi Shvarcshil'da v OTO, , gde - gravitacionnyi radius. Dlya chernyh dyr s otlichnym ot nulya momentom impul'sa radius ustoichivoi orbity v kvatorial'noi ploskosti men'she treh grav. radiusov i priblizhaetsya k dlya predel'no vrashayusheisya Kerrovskoi chernoi dyry.

Energovydelenie v diske chasto zapisyvayut v vide

gde - effektivnost' pererabotki energii pokoya v elektromagnitnuyu. V akkrecionnyh diskah eta velichina rekordno vysoka: pri akkrecii na Shvarcshil'dovskuyu chernuyu dyru ili na neitronnuyu zvezdu solnechnoi mascy s radiusom okolo 10 km, i dostigaet pri akkrecii na kerrovskuyu predel'no vrashayushuyusya chernuyu dyru. (Dlya sravneniya: v himicheskih reakciyah (gorenie drov, vzryv trotila) , v termoyadernyh reakciyah (vodorodnaya bomba, nedra zvezd) "vsego" !). Mozhno skazat', chto akkrecionnye diski - ochent effektivnye "mashiny" po pererabotke gravitacionnoi energii v izluchenie.

Spektry vyhodyashego izlucheniya iz akkrecionnyh diskov vokrug sverhmassivnyh chernyh dyr v centrah aktivnyh galaktik i kvazarov v celom horosho opisyvayut nablyudaemoe raspredelenie energii. Ostaetsya nereshennym vopros o formirovanii uzkokollimirovannyh relyativistskih dzhetov iz yader galaktik i kvazarov. Po-vidimomu, sushestvennuyu rol' v formirovanii takih vybrosov igraet magnitnoe pole, obyazatel'no prisutstvuyushee v plazme. Dzhet mozhet formirovat'sya libo v okrestnosti vrashayusheisya chernoi dyry , okruzhennoi akkrecionnym diskom s magnitnym polem (pri etom izvlekaetsya energiya vrasheniya chernoi dyry, tak nazyvaemyi mehanizm Blendforda-Znaeka (Blandford, Znajek, 1976), libo pri magnitogidrodinamicheskom istechenii veshestva iz vnutrennih chastei akkrecionnogo diska. Mehanizm Blendforda-Znaeka legko ponyat' iz sleduyushih fizicheskih soobrazhenii. Teoriya chernyh dyr utverzhdaet, chto dlya zadach elektrodinamiki gorizont sobytii chernoi dyry mozhet byt' predstavlen v vide provodyashei membrany s soprotivleniem okolo 344 Om. Esli vokrug vrashayusheisya (Kerrovskoi) chernoi dyry est' zamagnichennaya plazma, to s tochki zreniya elektrodinamiki zadacha stanovitsya ekvivalentnoi rassmotreniyu vrasheniya provodyashei sfery v magnitnom pole - unipolyarnomu induktoru, model' kotorogo my ispol'zovali pri obsuzhdenii fiziki radiopul'sarov v lekcii 8. Yasno, chto po analogii (i raschety eto podtverzhdayut) mozhno zapisat', chto energovydelenie v rezul'tate etogo processa budet poryadka

gde - uglovaya skorost' vrasheniya chernoi dyry, - napryazhennost' magnitnogo polya vblizi gorizonta, - harakternyi razmer zadachi. Poskol'ku - razmer svetovogo cilindra (otdelyayushego blizhnyuyu i volnovuyu zony), to pri uglovom momente chernoi dyry blizkom k predel'no vozmozhnomu imeem i

chto ochen' blizko k nablyudaemoi energetike dzhetov ot aktivnyh yader galaktik i kvazarov. Otlichitel'nym svoistvom dzheta, formiruemogo mehanizmom Blendforda-Znaeka, dolzhna byt' generaciya elektronno-pozitronnoi plazmy. Poka ne naideno vozmozhnosti razlichit' eti mehanizmy.

9.2.5 Prilivnoe razrushenie zvezd v okrestnostyah sverhmassivnoi chernoi dyry

Gaz v akkrecionnyi disk mozhet popadat' razlichnymi putyami: eto mozhet byt' mezhzvezdnyi gaz iz diska galaktiki, diffundiruyushie pod deistviem dinamicheskogo treniya gigantskie molekulyarnye oblaka, zvezdy, razorvannye prilivnymi silami chernoi dyry. Rassmotrim poslednii process (Hils, 1975). Pust' imeetsya zvezda s massoi i radiusom , srednyaya plotnost' zvezdy . Kachestvenno, zvezda razrushaetsya prilivnymi silami, esli uskorenie svobodnogo padeniya na poverhnosti stanovitsya men'she prilivnogo uskoreniya so storony chernoi dyry s massoi : , gde d - rasstoyanie ot zvezdy do chernoi dyry. Razryv nastupaet na kriticheskom rasstoyanii (nazyvaemom prilivnym radiusom): . Ochevidno, gorizont (gravitacionnyi radius) chernoi dyry zavisit lineino ot massy , bystree chem prilivnoi radius . Pri masse chernoi dyry

eti radiusy sravnivayutsya, a znachit zvezdy budut peresekat' gorizont sobytii chernoi dyry ne razrushayas', lishaya akkrecionnyi disk podpitki gazom (hotya konechno, ostayutsya inye mehanizmy podpitki). Takim obrazom, esli zvezdy yavlyayutsya osnovnymi postavshikami veshestva dlya aktivnogo galakticheskogo yadra, rost chernoi dyry znachitel'no zamedlyaetsya pri masse okolo . Dlya harakternyh tempov akkrecii okolo 1 v god (sm. nizhe) vremya sushestvovaniya maksimal'noi aktivnosti yadra galaktiki t.o. mozhet byt' okolo 100 mln. let.

---

<< 9.1 Galaktiki. Obshie svedeniya. | Oglavlenie | 9.3 Eddingtonovskii predel svetimosti >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika Publikacii so slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika
Sm. takzhe: Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Zvezdy, pyl' i tumannost' v NGC 6559 25 samyh yarkih zvezd na nochnom nebe Animaciya: chernaya dyra razrushaet zvezdu Razlozhenie dalekogo sveta Sravnenie razmerov zvezd Samaya dalekaya iz vseh izvestnyh zvezd? Vse publikacii na tu zhe temu >>