Спасибо, что вы с нами!

О дисковой аккреции из первых уст

Интервью с астрофизиком Николаем Шакурой

Лауреатами Госпремии по науке в этом году среди других ученых стали астрофизики Николай Шакура и академик Рашид Сюняев, авторы одной из самых цитируемых за рубежом российских статей. О чем была эта работа, а также о ближайших открытиях в астрономии, темной материи и сверхмассивных черных дырах «Чердак» поговорил с заведующим отделом релятивистской астрофизики Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ Николаем Шакурой.
Добавить в закладки
Комментарии
...

— Николай Иванович, вы и Рашид Алиевич получили госпремию за создание теории дисковой аккреции вещества на черные дыры. А как вы начали заниматься этой темой?

Академик Яков Зельдович, 1964 год. Фото: Евгений Кассин / фотохроника ТАСС

— Был человек, который определил наше развитие с Рашидом Сюняевым. Это Яков Борисович Зельдович — академик, трижды Герой Социалистического Tруда.

В середине 60-х годов Яков Борисович получил возможность работать в Московском университете. По-моему, это был 1966 год, когда в нашем расписании появилась фамилия Зельдович. «Строение и эволюция звезд» — так назывался его курс. Я пошел на его первую лекцию. Кто хотел писать у него курсовые работы, остались после лекции. Дошла очередь до меня — такие вещи забыть невозможно, и он спросил, был ли я на его семинаре днем ранее. А у него два раза в неделю был Объединенный астрофизический семинар (ОАС) тут, в ГАИШе. Там докладывались самые интересные открытия.

На одном семинаре был рассказ про рентгеновские источники — их природа тогда была неизвестна. Я был на том семинаре. И Зельдович дает мне задачу: вот есть нейтронная звезда с радиусом 10 км, на ее поверхность падает вещество, вблизи поверхности возникает мощная ударная волна с очень высокими температурами. Эта волна должна излучать в рентгене. «Рассчитайте структуру и спектр излучения от этой ударной волны…» И я начал это считать.

Только спустя пару недель я узнал, что это задача по аккреции газа нейтронной звезды. Я тогда впервые услышал слово «аккреция». Я думал, меня разыгрывают, потому что вначале академик Зельдович этот термин не употреблял. Я нашел в словаре латинских слов accretio — увеличение чего-либо, приращение чего-либо. Задачу я потом решил.

— То есть ваше знакомство с академиком Зельдовичем и началось с аккреции?

— Да, получается, что так. Два человека сыграли очень большую роль в начале нашей деятельности по аккреции. Это Зельдович Яков Борисович и Мартынов Дмитрий Яковлевич, директор нашего института ГАИШ, — он читал лекции по курсу общей астрофизики. И рассказывал про тесные двойные звезды, где есть перетекание вещества с одной на другую. Я тогда подумал: «А что если нам вместо второй звезды поставить черную дыру?» Газа, который истекает со второй компоненты, полно. Из-за движения этой двойной звездной системы формируется кольцо вокруг черной дыры, оно расплывается в диск.

— За работу с академиком Рашидом Сюняевым вы получили Госпремию по науке. Расскажите, пожалуйста, о ней подробнее.

— Наша работа с Рашидом Сюняевым была выполнена 40 с небольшим лет назад. Конец 60-х — начало 70-х годов — это было замечательное время для астрономии: были открыты такие объекты, как нейтронные звезды, черные дыры в двойных звездных системах.

Рентгеновские лучи не проходят сквозь земную атмосферу, поэтому наблюдения в рентгеновском спектре можно проводить только вне атмосферы Земли. В середине 60-х годов группа американских ученых, возглавляемая Риккардо Джаккони, поставила на ракету рентгеновские счетчики и запустила ее выше земной атмосферы. Они надеялись открыть рентгеновское излучение от Луны, но открыли какие-то загадочные источники, которые находились далеко от Солнечной системы. В те времена наш научный руководитель академик Зельдович и предложил нам заняться изучением природы этих рентгеновских источников.

Николай Шакура и Рашид Сюняев в 1970-х. Фото: Тамара Бируля / архив Н. Шакуры

В начале 70-х годов группой профессора Джаккони был запущен специальный рентгеновский спутник, чтобы изучать эти объекты. Было обнаружено, что эти рентгеновские источники входят в состав двойных звездных систем, где помимо рентгеновского источника есть обычная оптическая звезда. Она теряет вещество, вещество падает на компактный объект, вокруг него образуется то, что мы сейчас называем аккреционным диском. И начинается процесс дисковой аккреции, в результате которого вещество в диске, быстро вращаясь, как спутник вокруг тяготеющего центра, по мере потери момента медленно оседает на этот источник. Образуется диск, диск излучает энергию. Большая часть этой энергии излучается в рентгеновском диапазоне спектра внутренними частями диска, близкими к компактному объекту. Это были результаты наших расчетов. Наша статья была опубликована в 1973 году.

Так получилось, что работа оказалась очень фундаментальной и цитируется уже много лет. На эту работу мы сейчас насчитываем более восьми тысяч ссылок в научной литературе.

— Насколько я понимаю, эта область в то время интересовала многих астрофизиков. А ваша работа дала самое простое и красивое объяснение.

Спутник «Ухуру» в представлении художника. Изображение: NASA / SAO

— Да, самое простое и элегантное. В 60-х годах были открыты рентгеновские источники, изучение неба в рентгеновском диапазоне до спутника «Ухуру» (Uhuru) шло так: на ракеты ставили приборы, они взлетали выше земной атмосферы, в течение десятка минут что-то измерялась.

Время шло, и в 1967 году были открыты радиопульсары. Это открытие сделала группа ученых под руководством Энтони Хьюиша в Англии, решающую роль сыграла Джоселин Белл. И большая часть людей, которая занимается астрофизикой черных дыр и нейтронных звезд, переключились на исследование пульсаров — это нейтронные звезды, которые излучают радиоизлучение в узком конусе, звезда вращается, и получается радиопульсар. На некоторое время радиопульсары затмили все. Но мы продолжили заниматься аккреционными нейтронными звездами, черными дырами в двойных системах.

Первое время радиопульсары были одиночными. Гораздо позже, в 1975 году, Тейлор и Халс обнаружат радиопульсар в двойной системе. Однако несколько раньше, в начале 70-годов, пришло время спутника «Ухуру», который открыл аккрецирующие нейтронные звезды в рентгеновском диапазоне. Есть радиопульсары, они медленно замедляются со временем, источником наблюдаемой активности у них является энергия вращения. А есть другой тип нейтронных звезд — это аккреционные рентгеновские пульсары в двойных звездных системах. Именно их и открыл «Ухуру». Там есть диск, есть нейтронная звезда с сильным магнитным полем. Где-то на ста радиусах нейтронной звезды магнитное поле разрушает диск, вещество с диска начинает падать по магнитным силовым линиям на нейтронную звезду в область полюсов. На нейтронной звезде горячие полюсы, она вращается, и мы опять получаем пульсар, но уже в рентгеновском диапазоне спектра. Эти нейтронные звезды светят за счет выделения гравитационной энергии.

А если там черная дыра, то диск, который мы рассчитали, существует до радиуса последней устойчивой орбиты: гравитационное поле черной дыры настолько сильное, что начиная с некоего расстояния частицы начинают падать по радиусу на черную дыру.

— Ваша работа до сих пор находит применение в других областях астрофизики. Почему?

— Есть аккреционные диски вокруг черных дыр, нейтронных звезд, есть аккреционные диски вокруг белых карликов в двойных звездных системах, или вокруг обычных звезд в двойных звездных системах. И те расчеты, которые мы проделали, годятся для самых разных ситуаций. В последнее время открыто огромное множество протопланетных дисков, к которым тоже применима наша теория.

В ядрах активных галактик и квазарах существуют самые интригующие объекты — сверхмассивные черные дыры с массой в десятки сотни миллионов и даже до миллиарда масс Солнца. И там тоже имеет место дисковая аккреция.

Некоторое время назад в центре нашей Галактики была открыта черная дыра. Она оказалась миллион с небольшим масс Солнца. Там тоже имеют место процессы аккреции. Но там, возможно, не такой сплошной диск, а на черную дыру падают газовые облака.

— Вы сейчас работаете над этим?

— Мы с молодежью работаем над самой важной проблемой, которая решается в последние годы, — как в этом аккреционном диске вещество отдает свой момент количества движения и постепенно падает на этот аккрецирующий центр. В этом диске должна существовать некая вязкость, в результате чего и происходит аккреция. Если там обычная, ионная, атомная вязкость, то она очень маленькая. Мы ввели турбулентную вязкость и вязкость, связанную с магнитными полями. Сейчас мы и изучаем вопрос о природе турбулентной вязкости в аккреционных дисках.

Рашид Сюняев и Николай Шакура. Фото: Константин Маланчев / архив Н. Шакуры

Есть стандартные диски Шакуры — Сюняева, которые еще называют альфа-дисками. В этой теории существует безразмерный альфа-параметр, который характеризует как турбулентность в диске, так и хаотические магнитные поля. Альфа-параметр представляет собой отношение вязких сил трения к силам давления. Этот параметр альфа не больше 1, но больше 0. Когда он порядка 1, то турбулентные скорости, которые возникают в этом диске, становятся околозвуковыми, появляются ударные волны. Мои молодые коллеги — кандидат физико-математических наук Липунова Галина и совсем молодой аспирант Маланчев Константин, который вот-вот будет защищать кандидатскую диссертацию, — создали программы, которые рассчитывают нестационарные аккреционные диски.

Помимо стационарных рентгеновских источников, сейчас известны рентгеновские новые звезды. Это источники, которые появляются на небе, светят ярко пару недель, а потом их блеск спадает. По характеристикам спадания блеска можно определить, чему равен параметр альфа в этих аккреционных дисках. И он оказывается 0,3−0,5, он не такой маленький. Там турбулентность близка к околозвуковой.

— А какими еще областями в астрономии, кроме аккреции, вы занимаетесь?

— Астрономия очень интересная и богатая наука. Там есть самые разные объекты, самые разные звезды. Например, у меня была такая работа. Меркурий по орбите движется чуть-чуть не так, как это предсказывает классическая теория тяготения Ньютона. Там есть движение линии апсид, орбита эксцентричная, и большая ось эллипса испытывает некоторое дополнительное движение, которое невозможно было объяснить, оставаясь в рамках классической ньютоновской теории тяготения. Но теория относительности Эйнштейна сумела объяснить эти дополнительные 40 секунд в столетие.

Есть двойные звезды на эксцентричных орбитах, которые тоже испытывают апсидальное движение, то есть движение большой оси эллипса. Многие наблюдатели проверяют эффекты теории относительности в таких системах. Оказалось, что существует такая двойная система DI Геркулеса, где апсидальное движение не объясняется. Часть этого движения связана с тем, что центральные звезды — это не точки, масса в этих звездах распределена. Закон тяготения отличается от чисто ньютоновского, потому что каждая из звезд деформирована как собственным вращением, так и взаимными приливами. Дополнительный вклад в апсидальное движение дают эффекты общей теории относительности. Обычно при расчетах эффектов апсидального движения предполагают, что векторы моментов вращения каждого из компонентов параллельны орбитальному вектору вращения. И это так у большинства систем. Однако после некоторых размышлений вектор вращения одной из этих звезд DI Геркулеса я уложил в орбитальную плоскость. При такой конфигурации классическая теория дает уже другие цифры, и в этом случае все можно объяснить, оставаясь в рамках общей теории относительности. Вот такая была работа.

В результате прецизионных спектральных наблюдений DI Геркулеса, которые были проведены позже, такая конфигурация подтвердилась.

— Вы сказали, что 60-е годы были прекрасным временем. А сейчас?

— Да, для нас 60—70-е годы XX века — это золотой век астрофизики. Тогда ведь тоже были прекрасные люди, которые совершили открытия до нас. Когда мы начинали работать, нам казалось, что наша работа — самая важная. А теперь открытия, которые останутся на века, будет делать молодежь.

— А кого из молодых российских астрономов можете выделить?

— Очень много наших молодых людей работают за границей: в США, Германии, Англии. Но они не теряют с нами связь. Мой соавтор, академик Рашид Алиевич — заведующий лабораторией в Институте космических исследований РАН, и одновременно он работает одним из трех директоров института астрофизики Макса Планка в Германии. Там много наших молодых людей. Они некоторое время работают там, некоторое время — тут.

— Какая область астрофизики сейчас интересует вас больше всего?

— О, можно только завидовать ученым сейчас. Это открытие гравитационных волн, которое сделали американские ученые из LIGO. Первые случаи были открыты в сентябре 2015 года, к концу 2015 года было обнаружено уже три случая слияния черных дыр. В январе этого года была открыта еще одна пара сливающихся черных дыр. Слияние происходит очень быстро, от него идет поток гравитационных волн, который и измеряется высокоточными интерферометрами. Черные дыры, открытые в процессе слияния, оказались несколько массивнее тех черных дыр, которые изучают по их рентгеновскому излучению от аккреционных дисков в двойных звездных системах. Массы последних примерно 5—15 масс Солнца. По-моему, уже 22 такие черные дыры в двойных звездных системах открыли.

Слияние черных дыр в представлении художника. Изображение: NASA

А по характеристикам гравитационно-волнового импульса можно оценить и массы, и собственно вращение этих черных дыр. И масса каждой из них оказалась от 20 до 30 масс Солнца. Интересно, как же они образовались в далеком прошлом, почему они оказались более массивными. Один из вариантов звездной эволюции с образованием таких массивных черных дыр содержится в работе российских ученых, профессора Константина Постнова и кандидата физико-математических наук Александра Куранова, которая вышла буквально несколько дней назад.

Ожидается, что будет открыто слияние двух нейтронных звезд. Возможно, слияние нейтронной звезды и черной дыры, но это в будущем.

А вторая интересная область — это наша Вселенная в целом, космология. Там открыта темная материя, которая как-то распределена в скоплениях галактик, а есть еще темная энергия. И плотность этой темной энергии больше всего: если суммарную плотность вещества во Вселенной взять за 1, то на темную энергию приходится 0,7. Это тоже интересно.

Еще интересное открытие — ускоренное расширение Вселенной. Раньше считалось, что из-за гравитации темп расширения со временем замедляется. А сейчас оказалось, что расширение нашей Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это явление называется инфляцией. Она была характерна для ранних стадий Вселенной, и вот теперь опять мы выходим на режим ускоренного расширения Вселенной. Природа этого режима успешно исследуется в трудах российского академика Алексея Старобинского.

Планеты — тоже интересно, потому что открыто несколько планет с массой порядка массы Земли. И они существуют в зоне, где возможна жизнь, как на нашей Земле.

Почти 50 лет назад открытия были колоссальные: нейтронные звезды, черные дыры, реликтовое излучение. Тогда его открыли, а сейчас изучают распределение его флуктуаций по небу. Само реликтовое излучение имеет температуру 2,7 градуса Кельвина, а флуктуации — 10 и даже меньше микрокельвинов. И по этим флуктуациям люди изучают историю нашей Вселенной, ее расширения. В те далекие 70-е годы Рашидом Сюняевым и академиком Яковом Зельдовичем был предсказан эффект, названный их именем (эффект Сюняева — Зельдовича). Суть эффекта состоит в том, что спектр реликтового излучения слегка деформируется в результате рассеяния фотонов реликта на электронах очень горячего газа, который содержится в большом количестве в скоплениях галактик. Нынче этот эффект открыт и успешно наблюдается радиотелескопами всего мира. Величина эффекта дает важную информацию о параметрах нашей расширяющейся Вселенной.

—  Николай Иванович, вы всю жизнь посвятили изучению космоса. А побывать там никогда не хотели? Не завидовали космонавтам?

— Я был в 9-м классе, когда Гагарин полетел. И, конечно, были мечты, что я, скорее всего, свяжу свою жизнь с космосом. В 1963 году я закончил 11-й класс — я учился в Белоруссии — и поехал поступать в Московский университет. Когда зашел в приемную комиссию, увидел объявление, что есть такое астрономическое отделение и на него прием и конкурс отдельный — где-то 20—25 человек. Я думал, что это связано прямо с космосом. Но это оказалась астрономия, такой прямой связи с космосом, как у космонавтов, у нас нет. Но я доволен тем, как все сложилось.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы