Akadeemik Jakov Zeldovitš, 1964. Foto: Jevgeni Kassin / TASSi fotokroonika
Seal oli inimene, kes määras meie arengu koos Rashid Syunyaeviga. See on Jakov Borisovitš Zeldovitš - akadeemik, kolmekordne sotsialistliku töö kangelane.
60ndate keskel sai Yakov Borisovitš võimaluse töötada Moskva ülikoolis. Minu arvates oli aasta 1966, kui nimi Zeldovitš meie ajakavasse ilmus. "Tähtede struktuur ja areng" oli tema kursuse nimi. Käisin tema esimesel loengul. Need, kes tahtsid temaga kursusetöid kirjutada, jäid peale loengut. Oli minu kord – selliseid asju on võimatu unustada ja ta küsis, kas ma olin eelmisel päeval tema seminaril käinud. Ja tal oli siin SAI-s kaks korda nädalas ühine astrofüüsikaline seminar (JAS). Seal teatati kõige huvitavamatest avastustest.
Ühel seminaril räägiti röntgeniallikatest – nende olemust siis veel ei teatud. Olin sellel seminaril. Ja Zeldovitš annab mulle ülesande: siin on 10 km raadiusega neutrontäht, selle pinnale langeb aine ja pinna lähedale ilmub võimas lööklaine väga kõrge temperatuuriga. See laine peaks kiirgama röntgenikiirgust. "Arvutage selle lööklaine struktuur ja kiirgusspekter..." Ja ma hakkasin seda arvutama.
Alles paar nädalat hiljem sain teada, et see on neutrontähtede gaasi akretsiooni probleem. See oli esimene kord, kui kuulsin sõna "akretsiooni". Arvasin, et mind mängitakse, sest alguses akadeemik Zeldovitš seda terminit ei kasutanud. Leidsin selle ladina sõnaraamatust accretio- millegi suurenemine, millegi suurenemine. Siis lahendasin probleemi.
- Nii et teie tutvus akadeemik Zeldovitšiga algas akretsiooniga?
Jah, see selgub nii. Kahel inimesel oli meie juurdekasvu alguses väga suur roll. Need on Zeldovitš Jakov Borisovitš ja Martõnov Dmitri Jakovlevitš, meie instituudi SAI direktor - ta pidas loenguid üldise astrofüüsika kursusest. Ja ta rääkis lähedastest kaksiktähtedest, kus toimub ainevoog ühelt teisele. Siis mõtlesin: "Mis siis, kui paneme teise tähe asemele musta augu?" Teisest komponendist voolab välja palju gaasi. Selle kaksiktähtede süsteemi liikumise tõttu moodustub musta augu ümber rõngas, mis levib kettaks.
Töö eest koos akadeemik Rashid Syunyaeviga pälvisite riikliku teaduspreemia. Palun rääkige meile temast lähemalt.
Meie töö Rashid Sunyajeviga tehti rohkem kui 40 aastat tagasi. 60ndate lõpp – 70ndate algus oli astronoomia jaoks imeline aeg: avastati selliseid objekte nagu neutrontähed ja mustad augud kaksiktähesüsteemides.
Röntgenikiirgus ei läbi Maa atmosfääri, mistõttu saab röntgenispektri vaatlusi teha ainult väljaspool Maa atmosfääri. 60. aastate keskel paigaldas rühm Ameerika teadlasi Riccardo Giacconi juhtimisel raketile röntgeniloendurid ja saatis selle Maa atmosfääri kohale. Nad lootsid avastada Kuu röntgenikiirgust, kuid avastasid mõned salapärased allikad, mis olid Päikesesüsteemist kaugel. Sel ajal soovitas meie teaduslik juhendaja akadeemik Zeldovitš uurida nende röntgenikiirgusallikate olemust.
70ndate alguses saatis professor Giacconi rühm nende objektide uurimiseks orbiidile spetsiaalse röntgensatelliidi. Avastati, et need röntgenikiirgusallikad on osa kaksiktähesüsteemidest, kus lisaks röntgeniallikale on tavaline optiline täht. See kaotab mateeria, aine kukub kompaktsele objektile ja selle ümber moodustub see, mida me praegu nimetame akretsioonikettaks. Ja algab ketta akretsiooniprotsess, mille tulemusena kettas olev aine, mis pöörleb kiiresti nagu satelliit ümber gravitatsioonikeskuse, settib hoogu kadudes aeglaselt sellele allikale. Moodustub ketas, ketas kiirgab energiat. Suurem osa sellest energiast kiirgub spektri röntgenipiirkonnas ketta sisemistest osadest, kompaktse objekti lähedalt. Need olid meie arvutuste tulemused. Meie oma ilmus 1973. aastal.
Juhtus nii, et teos osutus väga põhjapanevaks ja seda on tsiteeritud juba aastaid. Nüüdseks on teaduskirjanduses sellele tööle üle kaheksa tuhande viite.
Minu arusaamist mööda pakkus see ala tol ajal paljudele astrofüüsikutele huvi. Ja teie töö andis kõige lihtsama ja ilusama seletuse.
Jah, kõige lihtsam ja elegantsem. 60ndatel avastati röntgeniallikad, taeva uurimine röntgenivahemikus kuni Uhuru satelliidini käis nii: rakettidele asetati instrumendid, need tõusid maakera atmosfääri kohal ja mõõdeti midagi sees. kümme minutit.
Aeg läks ja 1967. aastal avastati raadiopulsarid. Selle avastuse tegi Inglismaal Anthony Hewishi juhitud teadlaste meeskond, kus otsustav roll oli Jocelyn Bellil. Ja enamik inimesi, kes tegelevad mustade aukude ja neutrontähtede astrofüüsikaga, on läinud üle pulsarite uurimisele – need on neutrontähed, mis kiirgavad raadiokiirgust kitsas koonuses, täht pöörleb ja saadakse raadiopulsar. Mõnda aega varjutasid raadiopulsarid kõik. Kuid jätkasime neutrontähtede, kahendsüsteemide mustade aukude uurimist.
Alguses olid raadiopulsarid üksikud. Palju hiljem, aastal 1975, avastasid Taylor ja Hulse kahendsüsteemis raadiopulsari. Veidi varem, 70ndate alguses oli aga kätte jõudnud aeg Uhuru satelliidile, mis avastas röntgenikiirguse levialas akreteerivad neutrontähed. Raadiopulsarid on olemas, need aeglustuvad aja jooksul aeglaselt, nende vaadeldava aktiivsuse allikaks on pöörlemisenergia. Ja on ka teist tüüpi neutrontähti – need on kaksiktähesüsteemides akretsiooniröntgenipulsarid. Just need “Uhuru” avastas. Seal on ketas, seal on tugeva magnetväljaga neutrontäht. Kuskil neutrontähe sajas raadiuses hävitab magnetväli ketta, ketta aine hakkab mööda magnetvälja jooni langema pooluste piirkonnas neutrontähele. Neutrontähel on kuumad poolused, see pöörleb ja me saame jälle pulsari, kuid spektri röntgenikiirguse vahemikus. Need neutrontähed säravad gravitatsioonienergiat vabastades.
Ja kui seal on must auk, siis meie arvutatud ketas eksisteerib kuni viimase stabiilse orbiidi raadiuseni: musta augu gravitatsiooniväli on nii tugev, et teatud kauguselt alustades hakkavad osakesed mööda orbiidi langema. raadiusega musta augu suunas.
- Sinu töö leiab endiselt rakendust ka teistes astrofüüsika valdkondades. Miks?
Mustade aukude, neutrontähtede ümber on akretsioonikettad, kaksiktähesüsteemides on akretsioonikettad valgete kääbuste ümber või kaksiktähesüsteemides tavaliste tähtede ümber. Ja meie tehtud arvutused sobivad väga erinevateks olukordadeks. Viimasel ajal on avastatud tohutul hulgal protoplanetaarseid kettaid, millele meie teooria on samuti rakendatav.
Kõige intrigeerivamad objektid eksisteerivad aktiivsete galaktikate ja kvasarite tuumades – ülimassiivsetes, mille mass ulatub kümnetesse sadadesse miljonitesse ja isegi kuni miljardi päikesemassini. Ja ka seal toimub ketta akretsioon.
Mõni aeg tagasi avastati meie galaktika keskmes must auk. Selgus, et see oli umbes miljon päikesemassi. Seal toimuvad ka akretsiooniprotsessid. Kuid sellist pidevat ketast ei pruugi olla ja gaasipilved langevad mustale augule.
- Kas sa töötad praegu selle kallal?
Mina ja mu noorus tegeleme kõige olulisema probleemiga, mis on viimastel aastatel lahendatud – kuidas mateeria selles akretsioonikettas loobub oma nurkhoost ja langeb järk-järgult sellele akretsioonikeskusele. Sellel kettal peab olema teatav viskoossus, mille tulemusena tekib akretsioon. Kui on tavaline, ioonne, aatomi viskoossus, siis on see väga väike. Võtsime kasutusele turbulentse viskoossuse ja magnetväljadega seotud viskoossuse. Nüüd uurime küsimust turbulentse viskoossuse olemuse kohta akretsiooniketastes.
On olemas standardsed Shakura-Sunyaevi kettad, mida nimetatakse ka alfaketasteks. Selles teoorias on dimensioonitu alfa parameeter, mis iseloomustab nii ketta turbulentsi kui kaootilisi magnetvälju. Alfa-parameeter tähistab viskoossete hõõrdejõudude ja survejõudude suhet. See parameeter alfa ei ole suurem kui 1, vaid suurem kui 0. Kui see on suurusjärgus 1, muutuvad sellel kettal tekkivad turbulentsed kiirused transooniliseks ja tekivad lööklained. Minu noored kolleegid - füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaat Galina Lipunova ja väga noor magistrant Konstantin Malanchev, kes hakkab kaitsma doktoritööd - on loonud programmid, mis arvutavad mittestatsionaarseid akretsioonikettaid.
Lisaks statsionaarsetele röntgeniallikatele on nüüdseks teada ka röntgeniuud. Need on allikad, mis ilmuvad taevasse, säravad eredalt paar nädalat ja siis nende sära vaibub. Heleduse vähenemise tunnuste põhjal saab määrata, millega on nendel akretsiooniketastel võrdne alfa-parameeter. Ja see osutub 0,3–0,5, see pole nii väike. Seal on turbulents lähedane transoonilisele.
- Milliste astronoomia valdkondadega te peale akretsiooni veel tegelete?
Astronoomia on väga huvitav ja rikas teadus. Seal on mitmesuguseid objekte, mitmesuguseid tähti. Näiteks oli mul selline töökoht. Merkuuri orbiit liigub veidi teisiti, kui ennustas Newtoni klassikaline gravitatsiooniteooria. Esineb apsidaaljoone liikumist, orbiit on ekstsentriline ja ellipsi suurtelg kogeb täiendavat liikumist, mida klassikalise Newtoni gravitatsiooniteooria raames ei saanud seletada. Kuid Einsteini relatiivsusteooria suutis seletada need täiendavad 40 sekundit sajandi kohta.
Ekstsentrilistel orbiitidel on kaksiktähti, mis kogevad ka apsidaalset liikumist, st ellipsi peatelje liikumist. Paljud vaatlejad testivad relatiivsusteooria mõju sellistes süsteemides. Selgus, et on selline DI Herculese topeltsüsteem, kus apsidaalset liikumist ei seletata. Osa sellest liikumisest on tingitud asjaolust, et kesksed tähed ei ole punktid, vaid nende tähtede mass on jaotunud. Gravitatsiooniseadus erineb puhtalt Newtoni seadusest, kuna iga täht deformeerub nii oma pöörlemise kui ka vastastikuste loodete tõttu. Täiendav panus apsidaalsesse liikumisse tuleneb üldrelatiivsusteooria mõjudest. Tavaliselt eeldatakse apsidaalse liikumise mõju arvutamisel, et iga komponendi pöördemomendi vektorid on paralleelsed orbiidi pöörlemisvektoriga. Ja see kehtib enamiku süsteemide kohta. Siiski asetasin pärast mõningast mõtlemist ühe sellise DI Herculese tähe pöörlemisvektori orbitaaltasandile. Selle konfiguratsiooniga annab klassikaline teooria erinevaid arve ja sel juhul saab kõike seletada, jäädes üldise relatiivsusteooria raamidesse. Selline see töö oligi.
DI Herculesi täppisspektrivaatluste tulemusena, mis viidi läbi hiljem, kinnitati see konfiguratsioon.
- Ütlesite, et 60ndad olid imeline aeg. Ja nüüd?
Jah, meie jaoks olid 20. sajandi 60-70ndad astrofüüsika kuldaeg. Siis olid ka imelised inimesed, kes tegid avastusi enne meid. Tööle asudes tundus meile, et meie töö on kõige tähtsam. Ja nüüd teevad avastusi, mis jäävad aastasadadeks, noored.
- Keda saate noortest vene astronoomidest esile tõsta?
Väga palju meie noori töötab välismaal: USA-s, Saksamaal, Inglismaal. Kuid nad ei kaota meiega sidet. Minu kaasautor, akadeemik Rashid Alijevitš on Venemaa Teaduste Akadeemia Kosmoseuuringute Instituudi labori juhataja ja samal ajal töötab ta ühena kolmest Saksamaa Max Plancki Astrofüüsika Instituudi direktorist. Meie noori on seal palju. Mõnda aega töötavad seal, mõnda aega siin.
- Milline astrofüüsika valdkond teid praegu kõige rohkem huvitab?
Oh, nüüd võib teadlasi ainult kadestada. See on gravitatsioonilainete avastus, mille tegid Ameerika teadlased LIGO-st. Esimesed juhtumid avastati 2015. aasta septembris, 2015. aasta lõpuks oli avastatud juba kolm mustade aukude ühinemise juhtumit. Selle aasta jaanuaris avastati veel üks ühinevate mustade aukude paar. Ühinemine toimub väga kiiresti, sealt tuleb gravitatsioonilainete voog, mida mõõdetakse ülitäpsete interferomeetritega. Ühinemisprotsessi käigus avastatud mustad augud osutusid mõnevõrra massiivsemaks kui need mustad augud, mida uuritakse kahendtähesüsteemide akretsiooniketaste röntgenikiirguse järgi. Viimaste massid on ligikaudu 5-15 päikesemassi. Minu arvates on kaksiktähesüsteemides avastatud juba 22 sellist musta auku.
Ja gravitatsioonilaine impulsi omaduste põhjal saab hinnata nii nende mustade aukude massi kui ka tegelikku pöörlemist. Ja igaühe mass osutus 20–30 päikese massiks. Huvitav, kuidas need kauges minevikus tekkisid, miks osutusid massiivsemaks. Üks tähtede evolutsiooni võimalustest selliste massiivsete mustade aukude tekkega sisaldub vaid paar päeva tagasi avaldatud Vene teadlaste, professor Konstantin Postnovi ning füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaadi Aleksandr Kuranovi töös.
Eeldatavasti avastatakse kahe neutrontähe ühinemine. Võib-olla neutrontähe ja musta augu ühinemine, kuid see on tulevikus.
Ja teine huvitav valdkond on meie universum tervikuna, kosmoloogia. Sealt on avastatud tumeaine, mis on jaotunud kuidagi galaktikate parvedesse ja seal on ka tumeenergiat. Ja selle tumeenergia tihedus on suurim: kui võtta Universumi aine kogutiheduseks 1, siis tume energia moodustab 0,7. See on ka huvitav.
Veel üks huvitav avastus on universumi kiirendatud paisumine. Varem arvati, et gravitatsioon põhjustab aja jooksul paisumiskiiruse aeglustumist. Ja nüüd selgub, et meie Universumi paisumine ei aeglustu, vaid kiireneb. Seda nähtust nimetatakse inflatsiooniks. See oli iseloomulik Universumi algstaadiumidele ja nüüd oleme taas sisenemas universumi kiirendatud paisumise režiimi. Selle režiimi olemust on edukalt uuritud vene akadeemiku Aleksei Starobinski töödes.
Huvitavad on ka planeedid, sest avastatud on mitmeid planeete, mille mass on Maa massi suurusjärgus. Ja nad eksisteerivad tsoonis, kus elu on võimalik, nagu meie Maal.
Peaaegu 50 aastat tagasi olid avastused kolossaalsed: neutrontähed, mustad augud, kosmiline mikrolaine taustkiirgus. See avastati siis ja praegu uuritakse selle kõikumise jaotust taevas. Kosmilise mikrolaine taustkiirguse enda temperatuur on 2,7 kraadi Kelvinit ja kõikumised on 10 mikrokelvinit või isegi vähem. Ja nende kõikumiste põhjal uurivad inimesed meie universumi ajalugu ja selle paisumist. Neil kaugetel 70ndatel ennustasid Rašid Sjunjajev ja akadeemik Jakov Zeldovitš nende järgi nimetatud efekti (Sunyajevi-Zeldovitši efekti). Mõju olemus seisneb selles, et reliktkiirguse spekter deformeerub kergelt reliktfootonite hajumise tagajärjel väga kuuma gaasi elektronide poolt, mida galaktikaparvedes leidub suurtes kogustes. Tänapäeval on see efekt avastatud ja seda jälgivad edukalt raadioteleskoobid üle kogu maailma. Mõju suurus annab olulist teavet meie paisuva universumi parameetrite kohta.
Nikolai Ivanovitš, olete kogu oma elu pühendanud kosmoseuuringutele. Kas olete kunagi tahtnud sinna minna? Kas sa olid astronautide peale kade?
Käisin 9. klassis, kui Gagarin lendas. Ja loomulikult olid mul unistused, et suure tõenäosusega seoksin oma elu kosmosega. 1963. aastal lõpetasin 11. klassi – õppisin Valgevenes – ja astusin Moskva ülikooli. Kui ma vastuvõtukabinetti läksin, siis nägin kuulutust, et on selline astronoomiaosakond ja sinna on eraldi vastuvõtt ja konkurss - umbes 20-25 inimest. Arvasin, et sellel on midagi pistmist ruumiga. Kuid see osutus astronoomiaks; meil pole kosmosega nii otsest sidet kui kosmonautidel. Aga ma olen rahul sellega, kuidas kõik välja kukkus.
Paljud kvasarite optilise ja röntgenkiirguse mudelid põhinevad kvaasisfäärilisel ehk ketaskujulisel akretsioonil mustadesse aukudesse (4. jaotis). Nende mudelite puhul on oluliseks parameetriks langemisaja ja jahtumisaja suhe.Kui see suhe on oluliselt suurem või oluliselt väiksem kui üks, siis on energia vabanemise efektiivsus madal ja akreteerunud materjali gravitatsioonienergia neelatakse augu poolt kineetilise või soojusenergia kujul. Kui jah, võib väärtus olla suur. Kvaasfäärilise akretsiooni korral oleks suurem osa langevast gaasist madala nurkimpulsiga külmade pilvedena. Kui (ideaaljuhul) need pilved põrkuvad augule väga lähedal, kus nende suhteline kiirus ulatub c-ni, tekivad pilvedes lööklained, mis tekitavad tõhusa hajumise. (Me teame galaktika supernoova jäänuste vaatlustest, et lööklained kiirusega c on üsna tõhusad relativistlike elektronide kiirendamisel ja et sellest tulenev kiirgusefektiivsus on üsna tõenäoline, kui seda tüüpi kokkupõrge võib ka tegelikult aset leida.) Nagu eespool mainitud, võib ka ketta akretsioon olema suurus
Röntgenikiirguse binaarfailide mudeleid vaevavad ebastabiilsused on täielikult olemas ka kvasarite kettamudelites. Ketta sisemistes piirkondades, mis ümbritsevad musta auku, mille mass suureneb Eddingtoni piiril, peaks temperatuur olema 10 K. See tähendab, et kiirgusrõhu ja gaasirõhu suhe (vt 4. jagu) on suur ja liinides on jahtumine (vt. näiteks ) vabanenud gravitatsioonienergia salvestub ketta kohal asuvasse “krooni”. Energiat saab ära kanda kiirgus- või termiliselt juhitavate tuulemehhanismide kujul – päikesetuule vähendatud versioonina, mis kannab ära suurema osa päikesekrooni salvestatud energiast. Leiti sarnasuslahendused, kus väike osa kettale kogunevast ainest „võetakse vastu“ auku ja suudab tekitada heledust, ülejäänud aine kantakse ära kiirgusrõhu toimel. Sel juhul on võimalik saada pöörlemisteljega paralleelselt ja antiparalleelselt kollimeeritud voogusid.
Alternatiivses skeemis (vt, samuti Blöndorffi artiklit raamatus ja seal toodud viiteid) ekstraheeritakse akumuleeruva gaasi energia ja nurkimpulss augu lähedal mõjuvate elektromagnetiliste väänamisjõudude abil. Seda saab tegelikult teha üsna suure efektiivsusega isegi teljesümmeetrilise geomeetria korral. Vaatleme kettale sisseehitatud magnetvälja. Esimesel hinnangul on väli "külmutatud" kettal pöörleva aine külge (tohutu elektrijuhtivuse tõttu, mis viitab "ideaalsele MHD tingimusele" Selle võrrandi rootor tähendab, mida tõlgendatakse otseselt magnetväljana asjasse tardunud). Kettast väljuvad magnetvälja jooned, mis "külmuvad" kettal pöörlevaks aineks, tekitavad elektrivälja, nagu seda näeksid lokaalselt mittepöörlevad (statsionaarsed) vaatlejad. See elektriväli tekitab elektrilise potentsiaali erinevuse ketta sisemistes osades ja tegelikult kogu augus, nagu Faraday ketta puhul. See potentsiaalide erinevus põhjustab voolu
voolavad kettalt mööda magnetvälja jooni, luues magnetosfääri augu ümber. Lõpuks tekitavad need voolud magnetvälja toroidse komponendi, nii et aine liikumine kannab väljajooned tagasi. Seetõttu mõjub igale augu lähedal olevale ainele takistusmoment, mis võib viia nurkimpulsi (ja energia) ülekandumiseni mitte ketta tasapinnal väljapoole (nagu tavaliste viskoossusega mudelite puhul), vaid sellega risti. ketas elektromagnetilise või hüdromagnetilise Poyntingi voo kujul.
Sama mehhanism võib viia tsentrifuugimise energia eraldamiseni august endast. Kerri mustast august, mille erinurkimpulss on a, on põhimõtteliselt võimalik eraldada osa energiast (muutub 0 kuni 29%, kui a suureneb 0-lt M-ni). Selle tegelikuks realiseerimiseks on aga vaja voolusid, mis voolavad vabalt üle horisondi. Kuna osakesed peavad horisondil liikuma sissepoole ja võivad eeldatavasti liikuda väljapoole suurte vahemaade tagant, peab sisemises magnetosfääris olema mingi laenguallikas, mis kannab voolu. Seda saab anda horisondi kohal oleva vaakumi hävimine, justkui välgulöögist. See toob kaasa asjaolu, et eeldatavates tingimustes on kvasari tuumas olemas lihtsad mehhanismid, mis suudavad seda hävitamist tekitada. See annab alternatiivse võimaluse vabastada oluline osa kogunenud materjali ülejäänud energiast. Tegelikult on igasugune akumuleeruv magnetiseeritud gaas tõenäoliselt ebastabiilne, nii et suurem osa energiast vabaneb pigem plahvatusohtlike põletustena. Kui auk oleks piisavalt massiivne, võiks see meelitada ligi klastri piisavalt tihedaid piirkondi, et pakkuda kütust isegi kõige heledamatele kvasaridele)
