Аккреция

АККРЕЦИЯ (от латинского accretio - приращение, увеличение) в астрономии, процесс захвата вещества из окружающего пространства гравитационным полем небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела.

С середины 20 века термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздного и межпланетного газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К аккреции относят также перетекание вещества в двойных звёздных системах с одного компонента на другой. Аккреция вещества на конечные продукты звёздной эволюции - белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры - сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе аккреция играла важную роль при формировании планет из вещества протопланетного диска.

В областях звездообразования наблюдается аккреция дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также аккреция межгалактического вещества на галактики.

Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный массивный объект может происходить в режимах редких либо частых взаимных столкновений падающих частиц. В режиме редких столкновений скорость роста массы объекта зависит от его размера, поскольку он захватывает те частицы, орбиты которых пересекают его поверхность. В случае частых столкновений устанавливается режим стационарной сферически симметричной газодинамической аккреции, при котором скорость роста массы значительно больше, чем в режиме редких столкновений, и не зависит от размера центральный объекта. По мере приближения к объекту газ ускоряется и уплотняется, его температура растёт и возникает тепловое излучение. При встрече газа с поверхностью компактного объекта формируется сильная ударная волна, в которой падающее вещество нагревается и высвечивает свою кинетическую энергию.

Рисунок двойной звёздной системы, состоящей из нормальной звезды 1 и чёрной дыры 2. Изображены аккреционный диск 3 вокруг чёрной дыры и рентгеновское излучение диска.

Скорость падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при ударе вещества о поверхность в десятки раз выше, чем при ядерных реакциях. Если нейтронная звезда или белый карлик имеют сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток тормозится на таком расстоянии от них (радиус Альвена), где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате гидродинамической неустойчивости типа Рэлея-Тейлора вещество проникает в магнитное поле и падает вдоль его силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется энергия. Если при этом объект вращается, то он проявляет себя как пульсар.

В сильных гравитационных полях чёрных дыр, где тяготение имеет существенно неньютонов характер, возможен иной тип движения - гравитационный захват частиц, которые проникают внутрь горизонта событий чёрной дыры без какого-либо энерговыделения (подробнее смотри в статье Чёрные дыры).

Наличие у падающего вещества большого удельного момента импульса препятствует его прямой аккреции на объект. Вокруг объекта формируется вращающийся аккреционный диск. В тесных двойных звёздных системах такие диски возникают, когда один из компонентов в результате эволюции начинает расширяться. Размеры звёзд в таких системах ограничены критической полостью Роша, после заполнения которой начинается перетекание вещества с поверхности звезды в сторону второго компонента системы (рисунок). Из-за движения компонентов вокруг общего центра масс перетекающее вещество обладает моментом импульса относительно второго компонента, что приводит к формированию вокруг него аккреционного диска.

Вещество в диске вращается по почти круговым орбитам; при этом внутренние части вращаются быстрее наружных. Вязкость, обусловленная турбулентностью и магнитным полем, приводит к обмену моментом импульса между соседними участками диска: его внутренние части, отдавая свой момент более удалённым частям, приближаются к центральному объекту. Это медленное радиальное движение вещества называют дисковой аккрецией. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия частично переходит в теплоту и уносится излучением. Внутренние области аккреционных дисков вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд нагреваются до температуры в миллионы кельвинов, поэтому их излучение происходит в основном в рентгеновском диапазоне. Нередко за счёт выделяющейся в диске энергии формируются две газовые струи, движущиеся вдоль оси вращения диска в противоположных направлениях. Эти так называемые джеты (английкий jet - струя) сопровождают аккреции в различных масштабах: от протопланетных дисков вокруг формирующихся звёзд до гигантских дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр в квазарах.

Лит.: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звёзд. М., 1971; Шапиро С., Тьюколски С. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды: В 2 часть М., 1985.