Насколько сильно разгоняется вещество, падающее на компактный объект? На каком расстоянии от Земли продолжает действовать земная гравитация? Что происходит, когда вещество достигает поверхности компактного объекта? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Валерий Сулейманов.

Согласно легенде, Ньютон пришел к пониманию природы гравитации, сидя под яблоней, когда на него упало яблоко. В чем здесь, собственно, смысл? Смысл в том, что он размышлял над движением Луны, он понял, что Луна падает на Землю, точно так же как яблоко упало ему на голову. Но только Луна при этом обладает такой горизонтальной скоростью относительно Земли, что, беспрерывно падая, она тем не менее промахивается мимо Земли и остается на круговой орбите вокруг нее. И это явление очень хорошо знакомо всем астрофизикам и очень важно — это сохранение углового момента количества движения у тела, обращающегося вокруг какого-то другого тела.

Часто встречается совсем неправильная обыденная точка зрения, что в космическом корабле, кружащемся вокруг Земли, на искусственном спутнике Земли гравитация отсутствует, потому что гравитация отсутствует как класс, как только мы поднимаемся за пределы атмосферы. На самом деле это не так, земная гравитация удерживает даже Луну, то есть она довольно далеко простирается и не может так быстро кончаться за пределами атмосферы. Дело в том, что космонавты вместе с космическим кораблем тоже падают, они тоже обладают угловым моментом, конкретно какой-то горизонтальной скоростью относительно поверхности Земли, которая не позволяет им упасть прямо на Землю. Более того, для того чтобы упасть, им нужно затормозиться — это мы тоже хорошо знаем.

При выпадении вещества на компактные объекты, когда загораются рентгеновские источники и другие нестационарные яркие объекты, отличные от обычных звезд, которые интересно изучать, борьба с угловым моментом становится краеугольным камнем и не очень понятным процессом, который до конца так и не осознан. Дело в том, что вещество, падающее со второй звезды на компактный объект, на нейтронную звезду или белый карлик, обязано иметь угловой момент. То есть звезды, раз они двойные, крутятся около друг друга очень быстро, и вещество не может напрямую упасть на компактный объект. Оно образует некое кольцо вокруг нее и за счет внутренней вязкости расплывается в диск, и через этот диск происходит аккреция.

Рекомендуем по этой теме:
91890
Нейтронные звезды и черные дыры

Как устроен перенос этого углового момента, как организовать так, чтобы вещество тормозилось, при этом ускоряясь, теряло бы свой угловой момент, ускоряясь по направлению к компактному объекту, мы пока не знаем, и это тема отдельного большого разговора. А сейчас я бы хотел рассказать о том, что происходит, когда это вещество в этом аккреционном диске, который сам по себе светит хорошо, доходит до поверхности компактного объекта. Отдельный разговор — это черные дыры, а компактные объекты хороши тем, что они имеют поверхность и, следовательно, могут иметь магнитное поле. И, действительно, мы знаем, что белые карлики могут иметь магнитные поля до миллиарда раз более сильные, чем на поверхности Земли, — это крайний случай, в среднем, конечно, поменьше.

Но те объекты, которые обладают магнитными полями примерно в миллион раз более сильными, чем на Земле, способны этот аккреционный диск, подходящий к такому замагниченному белому карлику или к замагниченной нейтронной звезде, разрушать, вмораживать в себя, в магнитное поле, и тогда это вещество аккреционного диска начинает выпадать по силовым линиям магнитного поля, вращаясь вместе с этим компактным объектом. Будем говорить для начала о белых карликах. Вращаясь с этим белым карликом, это вещество выпадает на поверхность нейтронной звезды и, стукаясь о поверхность белого карлика, образует ударную волну на нем. Дело в том, что вещество, проходя через ударную волну — а там она практически классическая гидродинамическая волна, примерно такая же, как та, которая бывает при переходе звукового барьера, — имеет ту же природу, но быстро двигающееся в одном направлении вещество теряет частицы газа, теряет свою направленность движения, это движение становится хаотичным, то есть они разогреваются до высоких температур.

В астрофизике, да и вообще в физике, размерность величин имеет очень важное значение. Я хотел бы подчеркнуть, что гравитационный потенциал, то есть то, насколько сильно́ гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды, какого-то компактного объекта, имеет такую размерность, как квадрат скорости.

То есть корень из потенциала — это та скорость, до которой можно разогнать вещество или то, что падает на поверхность компактного объекта.

То есть вещество разгоняется до скорости свободного падения, и эта кинетическая энергия переходит в тепло и излучается. В случае белого карлика теория таких явлений была в начале 70-х годов понята и развита японцем Аизу, дальше люди над этим сильно работали, и нам удалось какой-то вклад в это дело внести.

Образуется очень простая и понятная структура, она оптически тонкая. Оптически тонкая — это означает, что любой фотон, который был рожден в каких-то процессах внутри этой горячей постударной волны на структуре, сразу уходит оттуда и почти никак там не взаимодействует с веществом, и такие вещи легко считаются. И основная прелесть такой картины заключается в том, что температура, до которой разогревается вещество, просто пропорциональна гравитационному потенциалу, то есть, грубо говоря, отношению массы к радиусу белого карлика. А для белых карликов — из теории хорошо известно, и это подтверждается наблюдениями — соотношение между массой и радиусом существует. То есть фактически мы из температуры этой плазмы, которая падает, превращается в ударную волну и потом после прохождения ударной волны как-то медленно оседает на поверхности белого карлика, можем определять массу этого белого карлика, получается интересное явление. И таким образом удается определять массы белых карликов, и они совпадают с теми массами, которые определяются другими способами с огромной точностью. И это классический пример простого астрофизического явления, крайне полезного для определения каких-то там параметров.

А что происходит, если мы такое же вещество через магнитное поле будем валить на нейтронную звезду? Магнитный момент нейтронной звезды примерно такой же, даже меньше, чем у белого карлика, но из-за того, что там поверхность гораздо меньше, через нее проходит гораздо больше магнитных силовых линий, напряженность магнитного поля там гораздо выше, на шесть порядков, то есть в миллион раз, чем на поверхности белого карлика. Соответственно, гравитационный потенциал очень маленький, и отношение массы к радиусу для нейтронной звезды совсем другое, чем для белого карлика. Там гравитационный потенциал гораздо выше, и падающее вещество разгоняется до очень высоких скоростей — оно может разогнаться до половины скорости света, треть-то уж точно.

При этом из-за того, что вещество так быстро двигается, оно перестает друг друга чувствовать, то есть гидродинамика перестает работать. Это вещество падает, как бомбардировка, отдельными шариками на поверхность этой нейтронной звезды и разогревает там пятно. То есть такая классическая картина, которая очень хороша для объяснения промежуточных поляров — это те объекты, о которых я вам рассказал, когда на белый карлик через магнитное поле идет высыпание вещества. Здесь такая картина абсолютно не работает, начинается другая физика, опять переход количества в качество. И главное там то, что появляется очень высокая плотность излучения, оно очень сильно взаимодействует с веществом. И может оказаться такая ситуация, когда вы очень много вещества сыплете на эту замагниченную нейтронную звезду — такой объект известен как рентгеновский пульсар. Поскольку это горячее пятно, нейтронная звезда крутится, и мы все время видим то больше, то меньше излучения.

Фотоны, рождающиеся в горячем пятне, взаимодействуют с падающими сверху электронами настолько интенсивно, что способны остановить падение этого вещества.

Представляете, вещество падает 30% от скорости света, и тем не менее эффективность преобразования массы в энергию настолько велика — 10–20% от абсолютного значения, от mc2, — так много фотонов рождается, что давления этих фотонов хватает на то, чтобы остановить это вещество. Образуется так называемая радиационно-доминированная ударная волна, не та, которая в атмосфере Земли и где-то еще может в каких-то газах возникнуть, а из-за взаимодействия излучения вещества. Такие явления действительно наблюдаются, и можно изучать то, как в условиях земных лабораторий при огромных плотностях энергии, заключенных в фотонах, происходит взаимодействие фотонов с веществом и такое торможение вещества.

А при еще более высоких скоростях аккреции начинает расти так называемая колонка, то есть там вещество тоже двигается с дозвуковыми скоростями после прохождения ударной волны, но уже радиационно-доминированное, вырастает такая тонкая колонка. Причем, поскольку эту колонку держит магнитное давление вдоль силовых линий магнитного поля, падает настолько много вещества, что после образуется колонка такой радиационно-доминированной волны из медленно падающего вещества, которая очень здорово светит. Обычно силе давления излучения противостоит только сила гравитации. И, если мы возьмем один электрон и один протон, атом водорода, излучение взаимодействует с электроном больше, чем с протоном, а гравитация больше взаимодействует с протоном, чем с электроном, они друг с другом связаны кулоновскими силами, друг без друга не живут. Фотоны двигаются от тела, которое как-то светит, пытаются сдвинуть электрон, а сила тяжести пытается его к себе привлечь. Когда сила давления излучения электрона сравнивается с силой притяжения протона с каким-то объектом, это называется ньютоновским пределом. То есть если мы еще увеличим излучение этого объекта, то этот электрон вместе с протоном улетит, и начнется какое-то истечение вещества, и оно не сможет быть стационарным объектом.

В случае рентгеновских пульсаров против силы давления излучения, которое вбок светит с боковых сторон колонки, работает уже не гравитация, а магнитное поле, которое может быть большим — 1012 от магнитного поля на Земле, 1013 и так далее. И светимость вбок этой колонки может намного превышать этот ньютоновский предел для нейтронной звезды. И интересно, что такой объект был обнаружен в 2014 году новой рентгеновской обсерваторией NuSTAR. Они обнаружили, что один из так называемых ультраярких рентгеновских источников в галактике M82 — источник называется X-2 — пульсирует с периодом 1,3 секунды. То есть это, должно быть, нейтронная звезда — белый карлик так быстро вращаться не может, но светит он в сто раз больше, чем положено ему по ньютоновскому пределу светить. И такую ситуацию, по всей видимости, можно организовать только таким образом, когда у нас есть длинная колонка, которая светит вбок гораздо больше, чем это возможно в случае ньютоновского предела.

Рекомендуем по этой теме:
16314
Жизнь звезды

Надо сказать, что физика происходящего в сильных магнитных полях, сильных гравитационных полях и сильных полях излучений до конца не ясна. Очень много предстоит работать, чтобы разобраться во всем, что происходит при выпадении вещества на компактные объекты, когда образуются ударные волны, такие разные в белых карликах и нейтронных звездах.