АККРЕЦИЯ

АККРЕЦИЯ

(от лат. accretio - приращение, увеличение), падение в-ва на косм. тело (напр., звезду) из окружающего пр-ва. Особенно значительна роль А. для таких тесных двойных звёзд, где одна звезда (красный гигант) интенсивно отдаёт в-во другой звезде (белому карлику, нейтронной звезде) или, возможно, чёрной дыре. А. на рассматривают как наиболее вероятную причину вспышек новых звёзд. В перетекающем в-ве обычно преобладает водород. В самих же белых карликах водород отсутствует (он превратился в гелий в результате термоядерных реакций при образовании белого карлика). Падающий на звезды водород накапливается и нагревается до темпры, достаточной для начала термояд. горения водорода. Если выделения теплоты реакции превысит скорость теплоотвода, произойдёт тепловой , наблюдаемый как вспышка новой звезды.

А. на нейтронную звезду или чёрную дыру была предложена в кач-ве механизма, объясняющего природу импульсных источников космического рентг. излучения - рентгеновских барстеров. Молодые нейтронные - явл. мощными источниками ч-ц с высокими энергиями, поэтому А. на них затруднена. Со временем истечение в-ва из пульсаров ослабевает, и для нейтронных звёзд, возраст к-рых превышает 106-107 лет, А. может стать значительной и обеспечить наблюдаемую косм. источников рентг. излучения. Для этого необходим относительно небольшой приток массы (=10-9 MСОЛНЦ/год), но даже такой приток возможен лишь в тесной двойной системе. В тесных двойных системах в-во, падающее на компактную звезду, обладает моментом вращения, поэтому оно образует диск, медленно оседающий к центру из-за трения. Трение разогревает в-во до 10е К, и оно становится источником теплового рентг. излучения. Такие же диски должны образовываться при А. на ; именно по излучению в-ва диска чёрная дыра может быть обнаружена.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

АККРЕЦИЯ

(от лат. accretio - приращение, увеличение) - падение вещества на звезду (галактику или др. космич. тело) из окружающего пространства. Процессом, обратным А., является истечение вещества.

А. на одиночные звёзды происходит в начале и конце их эволюции. В процессе формирования звезды сначала образуется небольшое гидростатически равновесное ядро с массой порядка 0,01 нач. массы облака Л/ н, затем А. вещества из окружающей оболочки приводит к образованию звезды с массой . Стадия А. сменяется истечением, к-рое преобладает вплоть до конца жизни звезды и препятствует А. На конечных стадиях эволюции звезда превращается в белый карлик, нейтронную звезду либо чёрную дыру, А. на к-рые сопровождается разнообразными наблюдат. проявлениями.

В тесных двойных звёздных системах, когда более массивная звезда переходит на стадию гиганта, она начинает интенсивно терять массу и за неск. тысяч лет компаньона может вырасти в неск. раз. Такая А. обычно наз. перетеканием. В тесной двойной системе А., как правило, мощнее, чем в случае одиночных звёзд.

В процессе А. происходит выделение гравитац. энергии, к-рая превращается в тепло и в итоге уходит в виде излучения. Скорость и темп-pa падающего вещества возрастают. Картина А. вещества на звезду в значит, степени определяется скоростью движения звезды относительно окружающего газа, моментом кол-ва движения падающего газа и наличием в окружающем ионизованном газе упорядоченного магн. поля. Можно выделить 4 осн. типа А., определяемых этими факторами.

А. газа без упорядоченного магн. поля с малым моментом кол-ва движения на покоящуюся звезду происходит сферически-симметрично. Для политроп-ного ур-ния ( Р - давление, - плотность аккрецирующего вещества, К - константа, g - показатель политропы )ур-ния газодинамики в гравитац. потенциале звезды GM/r (r - расстояние от центра звезды) при стационарной А. сводятся к закону сохранения массы ( - поток массы, u-скорость) и Бернулли уравнению -const. Ур-ния, описывающие А. при g , имеют седловую особую точку, в к-рон дозвуковое течение переходит в сверхзвуковое.

Рис. 1. Интегральные кривые в окрестности особой точки при сферичегки-симметричной аккреции.

В этой гочке имеет место соотношение ; инттегральные кривые в окрестности особой точки изображены на рис. 1. Аккреционная кривая АСК проходит через особую точку, и скорость на ней монотонно растёт при движении газа к центру. Хаотич. мелкомасштабное магн. не нарушает сферич. симметрии, но может существенно увеличить эффективность выделения энергии за счёт перехода кинетич. энергии в магнитную, а затем в тепловую при аннигиляции магн. поля (см. Нейтральный токовый слой )и последующего синхротронного излучения. В случае А. с магн. полем на чёрную дыру светимость достигает 0,3 (а без магн. поля 10 -8 ).

При быстром сверхзвуковом движении звезды сквозь газ огибает её и образует позади конич. ударную волну, внутри к-рой идёт А. (рис. 2).

Рис. 2. Коническая аккреция на быстро движущуюея чёрную дыру (стрелками указаны направления движения вещества).

Когда масштаб неоднородности магн. поля значительно превышает критич. радиус r с, возникает картина А., изображённая на рис. 3. Вокруг звезды образуется зона, в к-рой устанавливается равнораспределение между магн. энергией и кинетич. энергией падающего вещества.

Рис. 3. Магнитная аккреция на чёрную дыру (упорядоченное поле). Короткие стрелки - вещества, длинные -силовые линии магнитного поля.

Из-за большой проводимости имеет место вмороженностъ магнитного поля. Вещество движется вдоль силовых линий, потоки вещества сталкиваются в плоскости симметрии и после высвечивания образуется сравнительно тонкий плотный диск, равновесие к-рого поддерживается балансом магн. и гравитац. сил. В диске из-за конечной проводимости условие вмороженности не выполняется, и вещество медленно просачивается к звезде, пока не достигнет её поверхности либо (в случае А. на чёрную дыру) не упадёт в чёрную дыру.

В двойной системе вещество, падающее на белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру от компаньона - нормальной звезды, может обладать большим моментом кол-ва движения. В процессе падения скорость вещества увеличивается, и начинает уравновешивать гравитацию. В результате охлаждения вещество образует вращающийся тонкий аккреционный диск. Слои диска вращаются с почти кеплеровской скоростью , Трение между слоями приводит к потере момента кол-ва движения и медленному движению газа к центру (рис. 4).

Рис. 4. Дисковая аккреция на чёрную дыру в двойной системе. Нормальная звезда заполняет свою критическую полость Роша. Вещество перетекает на чёрную дыру через внутреннюю точку Лагранжа L 1 и образует аккреционный диск (вид сверху). Стрелки указывают направление движения вещества.

В последних двух случаях потеря энергии происходит в виде излучения с поверхности аккреционных дисков, к-рые являются оптически толстыми.

Реальная картина А. может представлять собой сочетание разл. типов А. Напр., вещество с вмороженным упорядоченным магн. полем может обладать большим вращат. моментом либо падать на движущуюся звезду.

При А. на чёрную дыру, не имеющую поверхности, область падения газа (или аккреционный диск) является единств. местом, где выделяется гравитац. , превращаясь в энергию излучения. При А. на белый карлик или нейтронную звезду половина (или более) гравитац. энергии выделяется у поверхности звезды. Если звезда не обладает магн. полем, то её поверхность нагревается либо из-за выделения энергии в ударной волне, возникающей при столкновении падающего потока с поверхностью, либо в тонком пограничном слое между аккреционным диском и медленно вращающейся звездой. Более сложная картина А. возникает в случае, когда звезда обладает сильным магн. полем. Пусть звезда радиуса r 0 обладает дипольным магн. полем , плотность энергии к-рого у поверхности значительно превышает плотность кинетич. энергии.

Плотность магн. энергии вдали от звезды всегда мала, но с уменьшением радиуса растёт гораздо быстрее плотности кинетич. энергии . Когда станет порядка , магн. поле останавливает свободное падение. Радиус остановки наз. альвеновскии радиусом: . После достижения r А вещество течёт вдоль силовых линий магн. поля и в районе магн. полюсов достигает поверхности звезды. Магн. полюса оказываются гораздо более горячими, чем остальные части поверхности звезды. Если их окрестностей носит анизотропный характер и нейтронная звезда вращается вокруг оси, не совпадающей по направлению с магнитной, то возникает картина рентгеновского пульсара, наблюдаемая в двойных системах при наличии мощной А. Для того чтобы падающее вещество достигало магн. полюсов, необходимо его проникновение внутрь магнитосферы, к-рое происходит за счёт развития гидромагн. неустойчивостей типа неустойчивости Рэлея - Тейлора (см. Неустойчивости плазмы).

Поток излучения от аккрецирующего газа взаимодействует с потоком падающего вещества и замедляет его скорость. Когда радиац. становится порядка силы притяжения , происходит резкая перестройка аккреционного потока: скорость его падения замедляется, а плотность увеличивается. Светимость, соответствующая равенству , наз. эддингтоновской светимостью эрг/г, где - непрозрачность вещества (см 2 /г).

При больших плотностях окружающего газа возможна А. типа оседания с медленным дозвуковым движением газа к центру. Такой режим А. возможен на нейтронную звезду, находящуюся в центре нормальной (подобная ситуация может быть результатом эволюции тесной двойной системы).

Для чёрных дыр, не имеющих излучающей поверхности, излучение при А. является их осн. наблюдат. проявлением. Огромный гравитац. на поверхности нейтронной звезды приводит к выделению энергии при А. на неё 0,2 М с 2 эрг/с. Нейтронные звёзды и, возможно, чёрные дыры в состоянии А. являются наиболее мощными рентг. источниками в Галактике со светимостью, достигающей 10 38 эрг/с.

К важным следствиям приводит А. на белые карлики. В результате А. хим. состав поверхностных слоев может существенно отличаться от хим. состава внутр. областей. Водородно-гелиевый слой на поверхности белого карлика с ростом массы слоя становится неустойчивым относительно ядерного горения. Происходит тепловая вспышка, приводящая к появлению новой звезды. Аналогичные термоядерные взрывы в слое у поверхности нейтронной звезды могут объяснить существование вспыхивающих рентг. источников.

Мощное нетепловое излучение и выбросы из активных ядер галактик и квазаров могут быть объяснены в рамках модели дисковой А. вещества (с упорядоченным магн. полем и большим вращат. моментом) на сверхмассивную ( М y 10 7 -10 9 ) чёрную дыру.

Гигантские масштабы может иметь А. в скоплениях галактик. Находящийся там горячий газ (10 -27 г/см 3 , Т 10 8 К) охлаждается и может падать к центру, где обычно располагается наиб. массивная галактика скопления. Такой охлаждающийся аккреционный поток может приводить к активности ядра центральной галактики, а также объяснять наблюдаемое газа в скоплениях галактик.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971.

Г. С. Бисноватый-Коган.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "АККРЕЦИЯ" в других словарях:

- (от лат. accretio приращение увеличение), падение вещества на космическое тело под действием сил тяготения. Аккреция сопровождается выделением гравитационной энергии. Эффективность выделения энергии при аккреции на нейтронные звезды в десятки раз … Большой Энциклопедический словарь

АККРЕЦИЯ, процесс постоянного роста или накопления. Термин часто используется для описания некоторых видов геологических отложений. Он же используется в астрономии для описания постепенного сложения больших небесных тел из более мелких за счет… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (от лат. accretio приращение, увеличение) в международном праве естественное приращение территории государства вновь образовавшимися сухопутными участками. Так, образование в устье реки дельты считается приращением сухопутной территории того… … Юридический словарь

- (от лат. accretio приращение * a. accretion; н. Akkretion; ф. accroissement; и. acrecimiento) процесс увеличения размеров неорганич. тела путём его наращивания по периферии раздробленным или дефор мированным, расплавленным, растворённым… … Геологическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 3 конкреция (8) падение (35) присоединение (51) … Словарь синонимов

В международном праве естественное приращение территории государства вновь образовавшимися сухопутными участками. (от латинского accretio приращение, увеличение) Словарь бизнес терминов. Академик.ру. 2001 … Словарь бизнес-терминов

аккреция - Процесс накопления в результате постепенного наращивания. Тематики океанология EN accretion … Справочник технического переводчика

аккреция - 1. Рост элементов облаков или осадков вследствие столкновения и смерзания ледяных частиц с переохлажденными каплями. 2. Отложение минеральных частиц на небольшом участке местности, например, прибрежного ила в озере. Syn.: нарастание … Словарь по географии

АККРЕЦИЯ - (лат. accretio приращение, увеличение) в международном праве естественное приращение территории государства вновь образовавшимися сухопутными участками. К увеличению территории ведет образование в устье реки дельты, которая считается приращением… … Юридическая энциклопедия

В процессе формирования звезды сначала образуется небольшое гидростатически равновесное ядро с массой порядка 0,01 начальной массы облака , затем аккреция вещества из окружающей оболочки приводит к образованию звезды с массой . Стадия аккреции сменяется истечением, которое преобладает вплоть до конца жизни звезды и препятствует аккреции. На конечных стадиях эволюции звезда превращается в белый карлик , нейтронную звезду либо черную дыру , аккреция на которые сопровождается разнообразными наблюдаемыми проявлениями.

Реальная картина аккреции может представлять собой сочетание различных типов аккреции Например, вещество с вмороженным упорядоченным магнитным полем может обладать большим вращательным моментом либо падать на движущуюся звезду.

При аккреции на черную дыру, не имеющую поверхности, область падения газа (или аккреционный диск) является единственным местом, где выделяется гравитационная энергия, превращаясь в энергию излучения . При аккреции на белый карлик или нейтронную звезду половина (или более) гравитационной энергии выделяется у поверхности звезды. Если звезда не обладает магнитным полем, то ее поверхность нагревается либо из-за выделения энергии в ударной волне , возникающей при столкновении падающего потока с поверхностью, либо в тонком пограничном слое между аккреционным диском и медленно вращающейся звездой. Более сложная картина аккреции возникает в случае, когда звезда обладает сильным магнитным полем. Пусть звезда радиуса обладает дипольным магнитным полем , плотность энергии которого у поверхности значительно превышает плотность кинетической энергии . Плотность магнитной энергии вдали от звезды всегда мала, но с уменьшением радиуса растет гораздо быстрее плотности кинетической энергии . Когда станет порядка , магнитное поле останавливает свободное падение. Радиус остановки называется альвеновским радиусом : . После достижения вещество течет вдоль силовых линий магнитного поля и в районе магнитных полюсов достигает поверхности звезды. Магнитные полюса оказываются гораздо более горячими, чем остальные части поверхности звезды. Если излучение их окрестностей носит анизотропный характер и нейтронная звезда вращается вокруг оси, не совпадающей по направлению с магнитной, то возникает картина рентгеновского пульсара , наблюдаемая в двойных системах при наличии мощной аккреции. Для того чтобы падающее вещество достигало магнитных полюсов, необходимо его проникновение внутрь магнитосферы, которое происходит за счет развития гидромагнитных неустойчивостей типа неустойчивости Рэлея-Тейлора (см. Неустойчивости плазмы ).

Поток излучения от аккрецирующего газа взаимодействует с потоком падающего вещества и замедляет его скорость. Когда радиационная сила становится порядка силы притяжения , происходит резкая перестройка аккреционного потока : скорость его падения замедляется, а плотность увеличивается. Светимость , соответствующая равенству , называется

Джонатан Генри

На протяжении последних двухсот лет считается, что , планеты и их спутники образовались из обширного облака газа и пыли или так называемой «солнечной небулы» (лат. nebula = облако). Небесные тела, предположительно, сформировались, когда частицы газа и пыли объединялись между собой в ходе процесса, который называется аккрецией, образовывая протопланеты и планетезимали. Теория аккреции является одной из составляющих небулярной гипотезы образования Солнечной системы. Однако в ходе экспериментов не было доказано, что аккреция действительно имеет место. Бог сотворил небесные тела Своим Словом (Псалом 32:6), а не в результате каких-либо процессов, подчиняющихся научным законам, – будь то быстрых или медленных. В данной статье описаны проблемы теории аккреции, выявленные в ходе экспериментов, а затем следует обсуждение фактов отсутствия астрономических наблюдений, свидетельствующих в пользу данной теории.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ СВИДЕТЕЛЬСТВУЮТ О ТОМ, ЧТО АККРЕЦИИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ

Случай №1 . Сжатые частицы сплава никеля и железа были выращены до размера субмикрона при давлении 10 -4 атмосфер, которое было взято в качестве давления в досолнечной небуле, в закрытом пространстве без турбулентности. Что эти условия на самом деле имеют общего с аккрецией? Заключение автора данного исследования говорит не слишком много: «непосредственный рост крупных частиц или капелек из газа – достаточно сложное явление при любых известных нам условиях» . Тем не менее, у ученых оставалась надежда на то, что аккреция могла бы произойти при неких гипотетических условиях, которые нам пока что не известны:

«Несомненно, существуют определенные астрономические, а также земные ситуации, где создаются эти особые условия, при которых крупные массы могут расти непосредственно в процессе конденсации из пара. Однако сложно представить, что эти вещества могли широко распространиться по всей Солнечной системе».

Рис. 1. Глобула Бока в отражательной туманности NGC 1999 созвездия Орион; звезда слева от центра - V380 Orionis, ее масса в 3,5 раза превышает массу Солнца. Она излучает свет, отражаемый небулой (NASA-HST). Согласно теории аккреции, сама небула должна быть материалом, который, сжимаясь, образует звезду.

Авторы Донн и Сирз выдвинули ряд предположений, благодаря которым теория аккреции кажется возможной, например, предположение о гипотетическом росте кристаллов в предполагаемых «винтовых дислокациях» в результате предполагаемого радиационного повреждения в режимах пониженного перенасыщения. Однако даже предполагаемое перенасыщение в доисторической небуле было ситуативным, поскольку, согласно теории, это требовало бы изначально высокой концентрации материала.

Случай №2 . Исследователь планет Вильям К. Хартманн отметил, что «согласно очевидным фактам, близлежащие частицы камня, циркулирующие на солнечной орбите, сталкивающиеся на небольших скоростях, просто должны были отталкиваться друг от друга, не соединяясь; если бы они сталкивались на высокой скорости, то, скорее, разрушали бы друг друга, а не соединялись в одно целое... Авторы Керидж и Веддер (1972, сс. 161–162) провели эксперимент, при котором частицы силиката сталкивались друг с другом на скорости от 1.5 до 9.5 км/сек (обычная скорость, при которой на сегодняшний день частицы сталкиваются в поясе астероида), чтобы проверить, будет ли происходить их слипание или спаивание. Они не обнаружили ни одного такого случая; частицы разрушались» .

Чтобы избежать разрушения во время столкновений, исследователи Керридж и Веддер предложили гипотетический подход с более низкими скоростями. Скорость стала изменяемым параметром, который, предположительно, должен был обеспечить условия, необходимые для аккреции. Гринберг и его коллеги провели компьютерное моделирование при более низких скоростях и пришли к выводу о том, что при таких гипотетических условиях аккреция возможна. Однако такое «подтверждение» является примером формулировки зависящего от ситуации предположения «ad hoc», где в качестве ситуативного предположения для оправдания теории аккреции были предложены более низкие скорости. А это пример выдвижения в качестве доказательства предположения, которое само по себе требует доказательства.

Случай №3 . Эксперт по кометам Фред Уиппл описал лабораторные исследования Майо Гринберга (1922–2001), которые тот проводил в обсерватории Ляйден в Нидерландах, пытаясь смоделировать процессы образования и роста частиц межзвездной пыли в молекулярных облаках. Он подверг все типы газов, содержащихся в облаке при температуре около 20K (-253oC), ультрафиолетовому излучению при интенсивности, которая считается характерной для обычного тусклого света звезд. Однако слипания молекул газа не произошло без навязывания двух искусственных условий: (1) использования «холодного пальца» (поверхности, охлажденной до криогенных температур) в качестве центра кристаллизации, призванного инициировать такое слипание; и (2) использования газа в концентрациях, которые намного превышают существующие концентрации и молекулярном облаке. Второе условие было особенно важным, поскольку молекулярные облака содержат слишком низкую концентрацию газа для спонтанной нуклеаризации даже при такой низкой температуре, как 20K. Таким образом, «моделирование» образования крупинок пыли Гринберга на самом деле не было никаким моделированием. В его опытах «человеческим разумом» , проводящим эксперимент, были навязаны два особых условия, не встречающихся в природе. Исследователь Блум также подчеркивал, что существование условий, делающих возможной аккрецию, всего лишь предполагается, а не является доказанным фактом:

«Теоретические рассуждения и предположения об образовании твердых тел на ранней стадии существования Солнечной системы во многом зависят от нескольких предположений, верность которых может быть доказана только экспериментально. Среди процессов, которые были определены эмпирически, а также на основании экспериментов по моделированию на многолетних скоплениях (слипаниях) пыли была названа низкая скорость столкновения единичных частиц пыли и их скоплений…».

Однако, по словам Блума, эти необходимые условия – низкая скорость и скопления – еще ни разу не наблюдались в лабораторных условиях. К подобным выводам пришел и ученый по фамилии Эрмитаж: «Для того чтобы попарные столкновения срабатывали достаточно быстро, объекты метрового размера при столкновении должны слипаться, а не разрушаться. Однако этого во время лабораторных экспериментов не происходило» . Таким образом, с помощью экспериментов не удалось продемонстрировать, что в результате простых столкновений частицы могут слипаться и превращаться в более крупные тела при условиях, которые, как считалось, существовали на ранней стадии развития Солнечной системы. Значит ли это, что теоретики признали ложность теории аккреции? Ответ – «нет»! Вместо этого была предложена концепция гравитационной нестабильности, призванная объяснить, почему сталкивающиеся частицы вынуждены были слипаться, а не разрушаться, следуя естественной тенденции. Авторы Голдрайх и Уорд утверждают: «Планетезимали значительных размеров способны образовываться в процессе аккреции непосредственно из частиц пыли из-за… гравитационной нестабильности. Таким образом, - продолжают они, - судьба планетарной аккреции перестает полностью зависеть от прилипания частиц пыли к поверхностям» .

Рис. 2. Изображение диска аккреции вокруг звезды типа Т Тельца (NASA).

Считается, что диск аккреции представляет собой участок образования планет. Наблюдения свидетельствуют о том, что эта материя является продуктом распадом звезды, а не продуктом процесса аккреции.

Итак, препятствие, заключающееся в том, что сталкивающиеся частицы не слипаются, было преодолено. Или нет? Голдрайх и Уорд выступили с ошеломительным признанием: «Несмотря на то, что мы отбросили слипание частиц пыли, как условие не обязательное для планетарной аккреции, существует и другая, более веская причина, чтобы отказаться от этой теории. Она заключается в том, что даже если частички пыли при столкновении в прошлом действительно слипались, рост твердых тел вследствие таких процессов был бы намного более медленным, чем при гравитационной нестабильности, о которой шла речь» . Иными словами, даже если бы сталкивающиеся частицы могли слипаться, процесс их роста до размеров планетезималей был бы чрезвычайно медленным, и на это ушло бы значительно больше времени, чем миллионы лет, которые им приписываются. По оценкам автора по фамилии Слашер, на формирование одной космической крупицы в процессе столкновений потребовалось бы 30 гигалет (10 9 лет) - в десять раз больше возраста Солнечной небулы. По оценкам Харвита, для формирования частицы размеров в 10 -5 см потребовалось бы 3 гигагода. Таким образом, более современные варианты теории аккреции полагаются не только на столкновения, но и на другие факторы.

Еще одним фактором, предложенным в качестве предпосылки для аккреции частиц, стало явление нестабильности (ЯН), при котором небула могла существовать в определенных химических состояниях, способствующих росту частиц пыли. Однако авторы Шалабейя и Гринберг пришли к такому выводу: «Предположительные условия, необходимые для явления нестабильности, не соответствуют фундаментальным астрономическим наблюдениям, свидетельствующим об изобилии атомов… Крайне маловероятным или даже невозможным кажется предположение о том, что бистабильность играет какую-либо роль в химических процессах в космосе» .

Другие теоретические нововведения также не смогли объяснить, как могла происходить аккреция. Автор по фамилии Дорч сокрушается: «Современные сценарии и теории не дают удовлетворительных объяснений относительно многих аспектов образования планет. Зачастую ситуации характеризуются сравнением двух (или большего количества) теорий, при чем несостоятельность одной из них воспринимается как свидетельство (или даже «доказательство») в пользу другой. При этом возможность того, что ни одна из этих теорий не является правильной, вообще не воспринимается всерьез… Одним из вариантов подобного подхода являются аргументы о том, что «поскольку существуют планеты террестриальные, а также планеты из газа и льда, один из предложенных сценариев обязательно должен был сработать. И если я не могу доказать, что это был сценарий «А», то, значит, это был сценарий «Б»!

При том, что на протяжении вот уже нескольких десятилетий у нас не было экспериментальных подтверждений теории аккреции, как мы можем с такой уверенностью описывать этот процесс, как в цитате, приведенной далее?

«Небольшие частицы с легкостью слипаются при столкновении и образуют скопления открытой, зачастую фрактальной структуры, в зависимости от особенностей процесса роста. Более крупные частицы должны расти при столкновении на скорости около 1 м/с. Эксперименты также свидетельствуют о том, что после перехода к разрушительным скоростям, столкновение пористых материалов при скорости свыше 10 м/с привело к естественному росту небесного тела» . Однако «эксперименты», на которые ссылается автор – это всего лишь компьютерные симуляции, при которых необходимые скорости столкновения были рассчитаны таким образом, чтобы это сделало возможным процесс аккреции – точно так же, как и в предыдущих исследованиях. Несмотря на это, были сделаны уверенные выводы о том, что компьютерные имитационные модели вполне справедливо свидетельствуют о росте частиц: «Исследования взаимодействия пыли и газа свидетельствуют о том, что скорости столкновения частиц не слишком отличаются в соотношении поверхность/масса, однако при этом ограничены в размерах до 1 м; представляется, что в результате роста они с легкостью достигают таких размеров». Снова же, здесь мы видим утверждение о росте частиц, однако только до размеров не более 1 метра.

При размерах частиц свыше одного метра возникают такие проблемы, которые не удается решить даже с помощью теоретического моделирования: «При размерах тела свыше одного метра при присоединении к небулярной турбулентности более вероятны процессы разрушения. Модели глобальной агрегации демонстрируют, что в турбулентной небуле крохотные частицы сметаются слишком быстро, чтобы подтвердить компьютерные теории. Даже компьютерные модели, призванные доказать теорию аккреции, свидетельствуют о том, что тела свыше 1 метра скорее должны разрушаться, нежели расти. Автор Доминик и группа его коллег предположили: «Возможно, в небуле существовала некая продолжительная фаза, во время которой компоненты малых частиц сохранялись при столкновениях, вызванных турбулентностью, мешающей росту тел до размеров планетезималей – до тех пор, пока условия, по каким-то причинам, не стали более благоприятными». Существование этой «продолжительной фазы» не было доказано ни эмпирически, ни в процессе теоретического моделирования. Ни один из этих методов не поддерживает теорию о том, что аккреция была возможна.

Однако пыль и космические осколки наполняют все пространство Солнечной системы, галактики Млечный Путь и Вселенной. В галактике Млечный Путь космические осколки являются межзвездной средой; между галактиками они представляют собой межгалактическую среду. Но если эти частицы из пыли образовались не в результате аккреции, то каково же их происхождение? Теоретики, поддерживающие теорию аккреции, раньше считали, что в результате изначального образования пыли образовались межзвездная и межгалактическая среда. Когда в 1940-х годах была предложена , теоретики предположили, что практически все элементы изначально появились в результате большого взрыва, а не в составе звезд. Эти атомы, должно быть, выросли до размеров частиц космической пыли – межзвездной и межгалактической среды. Таким образом, межзвездная и межгалактическая среда являются первичным продуктом. Автор по фамилии Цернуши писал: «Чтобы объяснить происхождение частиц космической пыли, мы исходим из предположения о том, что они сформировались на ранних этапах расширения Вселенной». Автор Ван де Халст отмечает: «Не сложно представить себе, как частицы пыли росли в космосе» .

Однако теория большого взрыва не объясняла существования большинства изотопов, поэтому ученым пришлось прибегнуть к звездам, как к их источнику. Тот факт, что теория большого взрыва может объяснить только образование самых легких элементов (а на самом деле, и этого она не объясняет) , в сочетании с тем, что теория аккреции не объясняет образование частиц космической пыли, означает, что межзвездная и межгалактическая среда не может рассматриваться в качестве «остатков» от первобытного космоса. На сегодняшний день межзвездная и межгалактическая среды рассматриваются как продукт нестабильности звезд. Мнение о том, что межзвездная и межгалактическая среды образовались не в результате аккреции, а в результате звездной нестабильности, пошатнуло теорию аккреции. Однако, несмотря на то, что межзвезная и межгалактическая среды перестали рассматриваться, как доказательства теории аккреции, сама теория, а также более обширная небулярная гипотеза по-прежнему имеют своих приверженцев.

Рис.3. Звезда типа Т Тельца в созвездии Тельца. Ее предполагаемый возраст составляет 1 миллион лет, и она находится на расстоянии в 462 световых года от Земли. Ее спектральный класс - F8-K1, визуальная величина - 9.3-13.5, яркость свечения в 3,7 раз превышает яркость свечения Солнца (NASA). Материя, окружающая эту звезду типа Т Тельца, предположительно, должна находиться в процессе аккреции.

НЕБУЛЯРНАЯ ГИПОТЕЗА: ОТСУТСВИЕ ПОДТВЕРЖДАЮЩИХ ДАННЫХ

Французский математик Пьер Симон Лаплас (1749–1827) предложил небулярную гипотезу в своем труде «Система мира», в качестве ничем не подтвержденной идеи, которую следует рассматривать «со всем недоверием, которое должна внушать любая идея, не являющаяся результатом наблюдений или расчетов». Несмотря на эту оговорку, небулярная гипотеза получила «всеобщее приятие» в начале 1800-х годов. В средине девятнадцатого века данной теории пришлось пережить трудные времена, поскольку была дискредитирована физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Критика Максвелла возымела такое разрушительное действие, что небулярная гипотеза оказалась в забвении практически на целое столетие, до 1940-х годов. За это время эволюционисты предлагали и другие теории происхождения Солнечной системы, однако все они со временем были отброшены. Небулярная гипотеза была заново возрождена из-за провала всех остальных теорий.

Максвелл описал небулярную гипотезу, обрисовав предположительные процессы формирования колец Сатурна. «Он продемонстрировал, что тенденция к конгломерации в один спутник, как предполагается небулярной гипотезой, должна была сталкиваться с серьезным противодействием в виде динамических факторов, задействованных во вращении частиц вокруг центрального массивного тела» . Таким образом, обломки пород в кольцах Сатурна никогда бы не смогли слиться в один спутник, поскольку силы распада превосходили силы притяжения. А то, что характерно для колец Сатурна, должно быть характерно и для всей Солнечной системы в целом. Солнце, планеты и их спутники никогда не смогли бы образоваться из концентрированного газа и пыли, поскольку силы распада слишком сильны. Максвелл хорошо знал, что ему удалось разрушить авторитет небулярной гипотезы. Описывая кольца Сатурна, он писал: «Мы должны принимать во внимание вариации в форме и строении определенных частей кольца, а также его движение в целом, и мы не можем быть уверены в том, что эти вариации не будут накапливаться, пока данное кольцо полностью не утратит свою изначальную форму и не распадется на один или более спутников, вращающихся вокруг Сатурна. Фактически, именно такой результат предполагался одной из ведущих доктрин «небулярной теории» формирования планетарных систем».

Тот факт, что кольца Сатурна не могли объединяться и образовывать новые спутники, был очень важен, поскольку, чтобы проиллюстрировать свою небулярную гипотезу, Лаплас использовал в качестве примера именно кольца Сатурна («Лаплас… включил эти кольца в свою многообещающую теорию происхождения солнечной системы»).

Спустя почти целое столетие бесплодных поисков и стремлений заменить чем-то небулярную гипотезу, немецкий физик фон Вайсзахер (1912–2007) предложил ряд уравнений для небулярной гипотезы, согласно которым, предположительно, Солнечная система сформировалась в соответствии с законом Боде. Однако внесолнечные планетарные системы не руководствуются законом Боде (более того, этому закону не подчиняется планета Нептун, входящая в состав Солнечной системы), а небулярная гипотеза не объясняет их образования, как будет показано ниже. Начиная с 1940-х годов, считалось, что благодаря работам Вайсзахера небулярная гипотеза стала приемлемой с научной точки зрения. Однако на самом ли деле это так? Ответ – «нет», потому что, как мы увидим, здесь отсутствуют экспериментальные доказательства. И, как это было в случае с теорией аккреции, небулярная гипотеза со временем все более усложнялась, поскольку более простые ее варианты не выдерживали критики. В данный момент небулярная гипотеза состоит из следующих стадий: (1) стадия аккреции; (2) стадия образования планетезималей; (3) стадия планетарного ядра (планетарного эмбриона); (4)стадия планетарной миграции. Стадия планетарной миграции необходима, поскольку, в соответствии с теорией, когда формировались ядра планет, они находились не в том месте, чтобы образовывать одну планетарную систему, а значит, нужно было заставить их «мигрировать» к необходимому месторасположению. Мы увидели, что нет никаких данных наблюдений, подтверждающих стадию аккреции, равно как и нет данных, подтверждающих все остальные стадии.

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ СУЩЕСТВОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ НЕБУЛЫ

Если Солнечная система возникла из Солнечной небулы, следовало бы ожидать, что «космические обломки, оставшиеся со времен образования Солнечной системы… постоянно падают на Солнце и испаряются» , образовывая во время сгорания легко обнаруживаемое инфракрасное излучение. Замеры, сделанные во время затмения 11 июля 1991 года, не продемонстрировали такого свечения, а обнаруженные ранее признаки околосолнечной пыли были отнесены на счет комет. Таким образом, отсутствие небулярной пыли предполагает, что никакой небулы не было. С другой стороны, наблюдения формирования космических осколков – довольно распространенное явление в астрономии, особенно в случаях звездной нестабильности, о которой пойдет речь ниже. Космос, скорее, подвергается процессу распада, нежели эволюции. Именно по этой причине теоретикам не удается объяснить, каким образом солнечная небула (если таковая существовала) смогла преобразоваться в небесные тела. В конце этого длинного обзора теорий распада небулы (которые также известны, как теории образования облака), любой теоретик будет вынужден признать, что «пока что не существует ни одной полной и достоверной теории образования облака». Автор по фамилии Джефриз однажды с сожалением отметил: «В общем итоге, я думаю, что все предложенные гипотезы возникновения Солнечной системы должны подвергаться серьезным возражениям. При нынешнем положении вещей по данному вопросу следует сделать вывод о том, что такой системы существовать не может» .

Изменилось ли общее мнение в отношении этой теории? Ответ – «нет». В новостийных репортажах, освещающих современные космические экспедиции, по-прежнему выражается надежда на то, что новые данные наконец-то приведут нас к пониманию происхождения Солнечной системы. Например, запуск спутника Европейского космического агентства всемирной астрометрии, назначенный на 2011 год, «должен был помочь астрономам воссоздать условия, при которых бесформенное облако газа и положило начало нашей Солнечной системе». Точно также существует надежда на то, что «детальное изучение астероидов и сгоревших комет даст нам ключ к разгадке прошлого Вселенной». В отчете, посвященном миссии Кассини, целью которой являлось исследование колец Сатурна, сказано: «Ученые надеются, что эта миссия даст им важные подсказки о том, как образовались планеты». Однако если небулярная гипотеза рассматривается в качестве основной теории происхождения Солнечной системы, почему остается надежда на то, что наконец-то будет разгадано ее прошлое?

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ СЖАТИЯ НЕБУЛЫ

Если небулярная гипотеза состоятельна, астрономы должны наблюдать облака, состоящие из космических осколков во Вселенной, которая сжимается так же, как и солнечная небула. Каждое из этих гигантских молекулярных облаков, предположительно, должно иметь такое же строение, как и у солнечной небулы миллиарды лет назад, до ее сжатия. Гигантское молекулярное облако – это и есть небула, или считается частью более крупной небулы. Подобно тому, какой должна была быть солнечная небула, размеры гигантских молекулярных облаков должны во много раз превышать размеры Солнечной системы, и составлять сотни световых лет от края до края. Чтобы пройти через обычное гигантское молекулярное облако, световому лучу понадобилось бы несколько столетий, однако он проходит сквозь всю Солнечную систему всего за несколько часов. Из солнечной небулы должна была образоваться только одна Солнечная система, однако теоретики предполагают, что в гигантских молекулярных облаках содержится достаточно газа для того, чтобы образовать множество солнц и планетарных систем. Однако, несмотря на все эти теории «еще ни один ученый не наблюдал за процессом сжатия облака» и «никто еще не заставал молекулярное облако во время сжатия». Что касается скоплений в облаках, которые были замечены во время наблюдений, автор по фамилии Блитц пишет: «Ни одно из этих скоплений в облаках…, которые мы видим, не подвергается воздействию гравитации [сжатия]. ... Поскольку эти скопления совершенно не подвергаются гравитации… должно быть, они расширяются» . По словам Блитца, «этот вывод сложно принять». Итак, гигантские молекулярные облака существуют, однако тот факт, что они не сжимаются, свидетельствуют о том, что Солнечная система не могла образоваться в результате сжатия небулы.

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД

Если бы небулярная гипотеза была состоятельной, астрономы должны были бы наблюдать процессы образования звезд из космических обломков, сжимающихся вовнутрь, как, предположительно, это происходило с Солнцем. Но никто еще не может однозначно утверждать, что видел, как материя попадает на зарождающуюся звезду, что должно было бы происходить, если бы звезды действительно образовывались и сейчас. В связи с этим ученые пришли к выводу о том, что «Гигантские молекулярные облака не сжимаются динамически, и, фактически, обладают очень низкой эффективностью с точки зрения образования звезд». Таким образом, не следует ожидать, что гигантские молекулярные облака сжимаются и образовывают звезды, вопреки повсеместно распространенному убеждению о том, что именно так и происходит. Гравитационное сжатие не может происходить в рассеянном и разреженном облаке газа, и при этом образовывать звезду; оно просто не обладает достаточной для этого плотностью. «Единственное условие, при котором … холодное межзвездное облако могло бы сжиматься от размеров небулы до размеров звезды – это если бы оно было достаточно плотным, чтобы гравитационное притяжение его частиц друг к другу было достаточно сильным для того, чтобы оно начало сжиматься». Таким образом, теоретики признают, что гигантское молекулярное облако не может начать сжиматься само по себе. В этом процессе должны участвовать некие внешние силы, придающие молекулярному облаку достаточную плотность для того, чтобы инициировать сжатие.

Небулярная гипотеза предполагает, что воздействие этих сил обеспечивает некое физическое тело, например, другие облака, уже находящиеся в процессе сжатия, или нестабильные звезды, посылающие в окружающий космос ударные волны (волны концентрации). Таким образом, данная теория предполагает наличие уже сжимающегося облака или уже сформировавшейся звезды, однако именно образование этих тел данная теория пыталась объяснить изначально. Как говорят теоретики, «процесс образования звезд может быть спровоцирован или инициирован неким внешним механизмом, не входящим в состав данного скопления… В качестве механизмов, дающих начало для образования, звезд часто приводятся в пример толчки, исходящие от супернов (нестабильных звезд), или столкновения между облаками». Иначе говоря, «для этой общей модели требуется некий внешний механизм, провоцирующий сжатие облака: взрыв суперновы, ударная волна из спирального рукава галактики, столкновение облаков или звездные ветра. Почему облака не начинают сжиматься сами по себе… до сих пор остается «великой загадкой»». Еще один теоретик написал: «С начала 1960-х годов во всех цифровых моделях дозвездного сжатия, температуры инициирования термоядерной реакции не достигаются с помощью одного только слияния материи; предполагается наличие внезапной вспышки, вызванной некой дополнительной ударной волной» . Согласно небулярной гипотезе, получается, что для образования одной звезды необходима другая звезда. Небулярная гипотеза не объясняет, как звезды сформировались изначально.

Поскольку небулярная гипотеза на протяжении более двух столетий то входит, то выходит из моды, не объясняя при этом происхождения звезд и планетарных систем, возникает вопрос: почему ее приверженцы не отказываются от нее? Одна из причин заключается в том, что единственной жизнеспособной альтернативой данной теории является библейское сотворение, или, по крайней мере, существование неких неизвестных механизмов. Еще одна причина заключается в том, что небулярная гипотеза является моделью и способом визуализации космического прошлого. И поскольку эта гипотеза является моделью, одной науки недостаточно, чтобы ее опровергнуть, так как при необходимости делаются всевозможные предположения «ad hoc», речь о которых пойдет в следующем разделе. Гипотеза о предсуществовании сжимающихся облаков и уже функционирующих звезд, провоцирующих сжатие новых облаков, и является таким предположением «ad hoc». В действительности, как однажды саркастически отметил Джефри Р. Бербидж, «если бы звезд не существовало, было бы очень просто доказать, что именно это мы и ожидали увидеть». Очевидно, он понимал, что модель может включать в себя любые наблюдения, и никогда не будет опровергнута ни одним из них. Невозможность опровержения определенной модели является еще одной причиной, по которой приверженцы небулярной гипотезы продолжают заявлять: «Существуют серьезные доказательства того, что образование звезд происходит и сегодня» . Очень просто спутать теоретические или популярные предположения о том, что является истиной небулярной гипотезы, с эмпирическими доказательствами, которых просто не существует.

АККРЕЦИЯ

(от лат. accretio - приращение, увеличение), падение в-ва на косм. тело (напр., звезду) из окружающего пр-ва. Особенно значительна роль А. для таких тесных двойных звёзд, где одна звезда (красный гигант) интенсивно отдаёт в-во другой звезде (белому карлику, нейтронной звезде) или, возможно, чёрной дыре. А. на белые карлики рассматривают как наиболее вероятную причину вспышек новых звёзд. В перетекающем в-ве обычно преобладает водород. В самих же белых карликах водород отсутствует (он превратился в гелий в результате термоядерных реакций при образовании белого карлика). Падающий на поверхность звезды водород накапливается и нагревается до темпры, достаточной для начала термояд. горения водорода. Если скорость выделения теплоты реакции превысит скорость теплоотвода, произойдёт тепловой взрыв, наблюдаемый как вспышка новой звезды.

А. на нейтронную звезду или чёрную дыру была предложена в кач-ве механизма, объясняющего природу импульсных источников космического рентг. излучения - рентгеновских барстеров. Молодые нейтронные звёзды - пульсары явл. мощными источниками ч-ц с высокими энергиями, поэтому А. на них затруднена. Со временем истечение в-ва из пульсаров ослабевает, и для нейтронных звёзд, возраст к-рых превышает 106-107 лет, А. может стать значительной и обеспечить наблюдаемую светимость косм.источников рентг. излучения. Для этого необходим относительно небольшой приток массы (=10-9 MСОЛНЦ/год), но даже такой приток возможен лишь в тесной двойной системе. В тесных двойных системах в-во, падающее на компактную звезду, обладает моментом вращения, поэтому оно образует диск, медленно оседающий к центру из-за трения. Трение разогревает в-во до 10е К, и оно становится источником теплового рентг. излучения. Такие же диски должны образовываться при А. на чёрные дыры; именно по излучению в-ва диска чёрная дыра может быть обнаружена.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия ..1983 .

АККРЕЦИЯ

(от лат. accretio - приращение, увеличение) - падение вещества на звезду (галактику или др. космич. тело) из окружающего пространства. Процессом, обратным А., является истечение вещества.

А. на одиночные звёзды происходит в начале и конце их эволюции. В процессе формирования звезды сначала образуется небольшое гидростатически равновесное ядро с массой порядка 0,01 нач. массы облака Л/ н, затем А. вещества из окружающей оболочки приводит к образованию звезды с массой . Стадия А. сменяется истечением, к-рое преобладает вплоть до конца жизни звезды и препятствует А. На конечных стадиях эволюции звезда превращается в белый карлик, нейтронную звезду либо чёрную дыру, А. на к-рые сопровождается разнообразными наблюдат. проявлениями.

В тесных двойных звёздных системах, когда более массивная звезда переходит на стадию гиганта, она начинает интенсивно терять массу и за неск. тысяч лет масса компаньона может вырасти в неск. раз. Такая А. обычно наз. перетеканием. В тесной двойной системе А., как правило, мощнее, чем в случае одиночных звёзд.

В процессе А. происходит выделение гравитац. энергии, к-рая превращается в тепло и в итоге уходит в виде излучения. Скорость и темп-pa падающего вещества возрастают. Картина А. вещества на звезду в значит, степени определяется скоростью движения звезды относительно окружающего газа, моментом кол-ва движения падающего газа и наличием в окружающем ионизованном газе упорядоченного магн. поля. Можно выделить 4 осн. типа А., определяемых этими факторами.

А. газа без упорядоченного магн. поля с малым моментом кол-ва движения на покоящуюся звезду происходит сферически-симметрично. Для политроп-ного ур-ния состояния ( Р - давление, - плотность аккрецирующего вещества, К - константа, g - показатель политропы )ур-ния газодинамики в гравитац. потенциале звезды GM/r (r - расстояние от центра звезды) при стационарной А. сводятся к закону сохранения массы ( - поток массы, u-скорость) и Бернулли уравнению -const. Ур-ния, описывающие А. при g , имеют седловую особую точку, в к-рон дозвуковое течение переходит в сверхзвуковое.

Рис. 1. Интегральные кривые в окрестности особой точки при сферичегки-симметричной аккреции.

В этой гочке имеет место соотношение ; инттегральные кривые в окрестности особой точки изображены на рис. 1. Аккреционная кривая АСК проходит через особую точку, и скорость на ней монотонно растёт при движении газа к центру. Хаотич. мелкомасштабное магн. поле не нарушает сферич. симметрии, но может существенно увеличить эффективность выделения энергии за счёт перехода кинетич. энергии в магнитную, а затем в тепловую при аннигиляции магн. поля (см. Нейтральный токовый слой )и последующего синхротронного излучения. В случае А. с магн. полем на чёрную дыру светимость достигает 0,3 (а без магн. поля 10 -8 ).

При быстром сверхзвуковом движении звезды сквозь вещество газ огибает её и образует позади конич. ударную волну, внутри к-рой идёт А. (рис. 2).

Рис. 2. Коническая аккреция на быстро движущуюея чёрную дыру (стрелками указаны направления движения вещества).

Когда масштаб неоднородности магн. поля значительно превышает критич. радиус r с, возникает картина А., изображённая на рис. 3. Вокруг звезды образуется зона, в к-рой устанавливается равнораспределение между магн. энергией и кинетич. энергией падающего вещества.

Рис. 3. Магнитная аккреция на чёрную дыру (упорядоченное поле). Короткие стрелки - движение вещества, длинные -силовые линии магнитного поля.

Из-за большой проводимости имеет место вмороженностъ магнитного поля. Вещество движется вдоль силовых линий, потоки вещества сталкиваются в плоскости симметрии и после высвечивания образуется сравнительно тонкий плотный диск, равновесие к-рого поддерживается балансом магн. и гравитац. сил. В диске из-за конечной проводимости условие вмороженности не выполняется, и вещество медленно просачивается к звезде, пока не достигнет её поверхности либо (в случае А. на чёрную дыру) не упадёт в чёрную дыру.

В двойной системе вещество, падающее на белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру от компаньона - нормальной звезды, может обладать большим моментом кол-ва движения. В процессе падения скорость вещества увеличивается, и центробежная сила начинает уравновешивать гравитацию. В результате охлаждения вещество образует вращающийся тонкий аккреционный диск. Слои диска вращаются с почти кеплеровской скоростью , Трение между слоями приводит к потере момента кол-ва движения и медленному движению газа к центру (рис. 4).

Рис. 4. Дисковая аккреция на чёрную дыру в двойной системе. Нормальная звезда заполняет свою критическую полость Роша. Вещество перетекает на чёрную дыру через внутреннюю точку Лагранжа L 1 и образует аккреционный диск (вид сверху). Стрелки указывают направление движения вещества.

В последних двух случаях потеря энергии происходит в виде излучения с поверхности аккреционных дисков, к-рые являются оптически толстыми.

Реальная картина А. может представлять собой сочетание разл. типов А. Напр., вещество с вмороженным упорядоченным магн. полем может обладать большим вращат. моментом либо падать на движущуюся звезду.

При А. на чёрную дыру, не имеющую поверхности, область падения газа (или аккреционный диск) является единств. местом, где выделяется гравитац. энергия, превращаясь в энергию излучения. При А. на белый карлик или нейтронную звезду половина (или более) гравитац. энергии выделяется у поверхности звезды. Если звезда не обладает магн. полем, то её поверхность нагревается либо из-за выделения энергии в ударной волне, возникающей при столкновении падающего потока с поверхностью, либо в тонком пограничном слое между аккреционным диском и медленно вращающейся звездой. Более сложная картина А. возникает в случае, когда звезда обладает сильным магн. полем. Пусть звезда радиуса r 0 обладает дипольным магн. полем , плотность энергии к-рого у поверхности значительно превышает плотность кинетич. энергии.

Плотность магн. энергии вдали от звезды всегда мала, но с уменьшением радиуса растёт гораздо быстрее плотности кинетич. энергии . Когда станет порядка , магн. поле останавливает свободное падение. Радиус остановки наз. альвеновскии радиусом: . После достижения r А вещество течёт вдоль силовых линий магн. поля и в районе магн. полюсов достигает поверхности звезды. Магн. полюса оказываются гораздо более горячими, чем остальные части поверхности звезды. Если излучение их окрестностей носит анизотропный характер и нейтронная звезда вращается вокруг оси, не совпадающей по направлению с магнитной, то возникает картина рентгеновского пульсара, наблюдаемая в двойных системах при наличии мощной А. Для того чтобы падающее вещество достигало магн. полюсов, необходимо его проникновение внутрь магнитосферы, к-рое происходит за счёт развития гидромагн. неустойчивостей типа неустойчивости Рэлея - Тейлора (см. Неустойчивости плазмы).

Поток излучения от аккрецирующего газа взаимодействует с потоком падающего вещества и замедляет его скорость. Когда радиац. сила становится порядка силы притяжения , происходит резкая перестройка аккреционного потока: скорость его падения замедляется, а плотность увеличивается. Светимость, соответствующая равенству , наз. эддингтоновской светимостью эрг/г, где - непрозрачность вещества (см 2 /г).

При больших плотностях окружающего газа возможна А. типа оседания с медленным дозвуковым движением газа к центру. Такой режим А. возможен на нейтронную звезду, находящуюся в центре нормальной (подобная ситуация может быть результатом эволюции тесной двойной системы).

Для чёрных дыр, не имеющих излучающей поверхности, излучение при А. является их осн. наблюдат. проявлением. Огромный гравитац. потенциал на поверхности нейтронной звезды приводит к выделению энергии при А. на неё 0,2 М с 2 эрг/с. Нейтронные звёзды и, возможно, чёрные дыры в состоянии А. являются наиболее мощными рентг. источниками в Галактике со светимостью, достигающей 10 38 эрг/с.

К важным следствиям приводит А. на белые карлики. В результате А. хим. состав поверхностных слоев может существенно отличаться от хим. состава внутр. областей. Водородно-гелиевый слой на поверхности белого карлика с ростом массы слоя становится неустойчивым относительно ядерного горения. Происходит тепловая вспышка, приводящая к появлению новой звезды. Аналогичные термоядерные взрывы в слое у поверхности нейтронной звезды могут объяснить существование вспыхивающих рентг. источников.

Мощное нетепловое излучение и выбросы из активных ядер галактик и квазаров могут быть объяснены в рамках модели дисковой А. вещества (с упорядоченным магн. полем и большим вращат. моментом) на сверхмассивную ( М y 10 7 -10 9 ) чёрную дыру.

Гигантские масштабы может иметь А. в скоплениях галактик. Находящийся там горячий газ (10 -27 г/см 3 , Т 10 8 К) охлаждается и может падать к центру, где обычно располагается наиб. массивная галактика скопления. Такой охлаждающийся аккреционный поток может приводить к активности ядра центральной галактики, а также объяснять наблюдаемое распределение газа в скоплениях галактик.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971.

Г. С. Бисноватый-Коган.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия .Главный редактор А. М. Прохоров .1988 .

Синонимы :

конкреция, падение, присоединение

далеком прошлом нашей Солнечной системы кометами из других планетных систем. Это обстоятельство, в частности, подтверждает гипотезу о занесении жизни на Землю из космоса, к настоящему времени сменяющую еще недавно популярную гипотезу о самозарождении жизни на самой Земле.

Некоторые кометы, напротив, за счет гравитационных взаимодействий с планетами-гигантами переводятся на сильно вытянутые эллиптические орбиты, двигаясь по которым они регулярно посещают центральную часть Солнечной системы. При приближении комет к Солнцу за счет испарения газов с поверхности у них образуются так называемые “хвосты”, благодаря которым кометы и становятся заметны.

Завершая рассмотрение современной Солнечной системы, вернемся еще раз к проблеме ее происхождения. Мы видели, что в образовании Солнечной системы просматриваются черты, общие для всех других “солнечных систем”, и те особенности, которые появились случайно и специфичны только для нашей Солнечной системы. Конечно, разделить общие и индивидуальные особенности было бы гораздо проще, если бы можно было сравнить нашу Солнечную систему с другими подобными. Но на сегодняшний день еще не удалось обнаружить в космосе объекты земных размеров, вращающиеся вокруг близких звезд, хотя заявки на открытие таких объектов уже появляются. Таким образом, пока неизвестно, насколько распространены во Вселенной “солнечные системы” и, следовательно, насколько закономерно или случайно их появление. Можно ли считать появление “солнечных систем” закономерным следствием более или менее обычного процесса развития или же для этого требовалось какое-то редкое стечение обстоятельств? Поскольку большинство ученых не любят привлекать “особые обстоятельства” без крайней необходимости (в этом состоит известный принцип “бритвы Оккама”), чаще допускается первое.

1.1.4. Аккреция Земли

Мы подошли к главному вопросу, от решения которого, в сущности, зависит любая эволюционная модель Земли: какой была наша планета 4,6 млрд лет назад – в начале своей геологической истории или в “точке геологического нуля” ? Ясно, что ответить на него путем изучения пород современной Земли нельзя –

во-первых, ее глубокие недра недоступны для наблюдения, и, вовторых, Земля прошла длительную эволюцию, практически стершую следы ее образования и ранней геологической истории. Однозначный ответ на поставленный вопрос не дадут и космические тела, от крупных планет до космической пыли, поскольку у каждого из них был свой, до известной степени индивидуальный путь развития, приведший к различному современному состоянию.

Обычно ученые, приступая к восстановлению структуры и состава первичной Земли, черпают данные из разных источников, а затем сопоставляют их, добиваясь на выходе непротиворечивой модели. Важнейшими источниками сведений при этом являются:

(1) метеориты и планеты земной группы, (2) включения (ксенолиты) глубинных пород Земли, (3) геофизические данные о современном состоянии глубоких недр Земли и (4) результаты моделирования геологической эволюции Земли, при котором в качестве начальных параметров используются сведения из источников (1) – (2), а состоятельность моделей проверяется сведениями из источника (3).

В данном разделе обсуждается наиболее вероятная в настоящее время модель первичной Земли, созданная на базе всех перечисленных выше источников данных.

Как уже говорилось, важнейшую информацию для восстановления картины начального состояния Земли несут метеориты , потому что они, как полагают, являются “окаменевшими остатками” ранней Солнечной системы и тем самым дают нам сведения об аккреции планет, следы которой впоследствии были стерты планетной эволюцией. Родительскими телами подавляющего большинства метеоритов являются астероиды, пояс которых расположен между орбитами Марса и Юпитера (см. рис. 1.1.3.1, вклейка). Астероиды постоянно сталкиваются между собой, и от них разлетаются осколки – метеориты, часть которых затем падает на поверхности крупных планет Солнечной системы, в том числе и Земли.

Среди метеоритов наибольший интерес представляют

углистые (углеродистые) хондриты, отличающиеся от других типов метеоритов значительным содержанием связанной воды, углеродныхсоединенийи серы, но малым содержанием свободных металлов. Углистые хондриты испытали самые слабые по

сравнению с другими метеоритами изменения, поскольку, как показывают лабораторные эксперименты, они потеряли бы свои летучие компоненты, будучи нагретыми всего лишь до 180° С. Значит, углистые хондриты наиболее близки по составу к первоначальной Солнечной туманности, из которой образовалась Солнечная система и произошла аккреция ее планет, в том числе Земли.

Путем многократных сопоставлений данных по составу углистых хондритов, с одной стороны, составу земной коры и мантии – с другой, и спектральных характеристик солнечной атмосферы – с третьей, геохимики пришли к выводу, что валовый состав Земли (и, по-видимому, других планет земной группы, за исключением, может быть, Меркурия) очень близок к составу углистых хондритов (рис. 1.1.4.1) при условии, что бoльшая часть воды, органических соединений и летучих компонентов была ими потеряна. Таким образом, по валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания)

– кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8% .

Однако хорошо известно (об этом подробнее пойдет речь в разделе 1.2), что в недрах современной Земли перечисленные элементы распределены неравномерно. Состав любой оболочки Земли, будь то кора, мантия или ядро, резко отличается от валового химического состава нашей планеты. С чем это связано?

Литофильный слой (кора + мантия)

Халькофильный слой (внешнее ядро)

Рис. 1.1.4.1. Приблизительный химический состав углистого хондрита, отвечающий валовому составу Земли.

Если всем элементам, показанным на рис. 1.1.4.1, дать возможность образовывать соединения, то поведение каждого из

них будет определяться электронной конфигурацией и сродством по различным типам связей. Прежде всего образуется литофильный слой, в котором будут преобладать магниевые силикаты (литофильными называются элементы, которые встречаются, как правило, в соединении с кислородом в окислах и силикатах). Именно такой минеральный состав (оливины и пироксены) имеет мантия современной Земли (см. раздел 1.2.4). Железо поведет себя какхалькофильный элемент и соединится с имеющейся серой (халькофильные элементы встречаются в основном в сульфидах). Именно такой состав предполагается у внешнего ядра современной Земли (см. раздел 1.2.5). Однако некоторая часть железа соединится с оставшимися кислородом и кремнием и, таким образом, будет вести себя как литофильный элемент. Именно в этом виде железо широко распространено в мантии, а также вместе с другими менее распространенными литофильными элементами (прежде всего Al, Na, Ca и K) – в коре современной Земли (см. разделы 1.2.3 и 1.2.4). Большая распространенность железа обусловливает возможность того, что часть его останется в металлическом виде после использования всего кислорода и серы, т.е. образуетсидерофильный слой (сидерофильными называются элементы, встречающиеся обычно в металлическом виде). Именно железо в сплаве с другим, менее распространенным сидерофильным элементом – никелем присутствует во внутреннем ядре современной Земли (см. раздел 1.2.5). Естественно, что какая-то часть летучих элементов (прежде всего H, O и N) будет удалена из первичной Земли за счет ее дегазации и образует уникальные атмосферу и гидросферу, причем создавшийся при этом дефицит кислорода “поможет” железу проявить свои сидерофильные свойства.

Таким образом, в результате появления указанных соединений у любой планеты, имеющей после аккреции начальный хондритовый валовый состав, должны возникнуть три отдельных слоя, в которых будут преобладать последовательно (1) окислы и силикаты Mg и Fe, (2) FeS и (3) металлическое железо. При условии, что на каком-то этапе эволюции планеты температура ее недр станет достаточно высокой, эти слои расположатся в порядке плотности.

Мы приходим, таким образом, к фундаментальному выводу, что разделение современной Земли на резко различные по

химическому составу оболочки является результатом ее позднейшей дифференциации, происходившей, хотя и с разной интенсивностью, на протяжении всей геологической истории нашей планеты. После аккреции же из Солнечной туманности, т.е.

в начале своей геологической истории 4,6 млрд лет назад, Земля, как и другие планеты земной группы, была гомогенной, т.е. однородной по составу.

С этой точки зрения очевидно, что степень дифференцированности любой планеты во многом зависит от ее внутренней (геодинамической, тектонической) активности в ходе геологической эволюции. У Земли по сравнению с другими планетами Солнечной системы данная активность была чрезвычайно высокой и, как следствие, ее современное разделение на оболочки очень резкое (см. раздел 1.2).

Однако здесь мы сталкиваемся с вопросом, на который пока не найдено однозначного ответа, а именно – была ли аккреция в масштабе планет однородной (гомогенной) с последующим развитием слоев или же расслоение возниклонепосредственно в результате процессовнеоднородной (гетерогенной) аккреции?

Выше (см. раздел 1.1.3) уже отмечалось, что внешние планеты Солнечной системы заметно отличаются по своим параметрам от внутренних и образованию планет должна была предшествовать фундаментальная неоднородность Солнечной туманности. Но теперь нас интересует, была ли сама аккреция планет земной группы, в том числе Земли, однородным или неоднородным процессом?

В настоящее время большинство исследователей склоняются к тому, что аккреция Земли и других планет земной группы была гомогенной (однородной) и холодной, с последующим разогревом и расслоением .

Земля и другие планеты, как уже отмечалось (см. раздел 1.1.3), образовались из холодного газо-пылевого облака, температура которого в районе орбиты будущей Земли не превышала 100° С. Процесс аккреции планет длился относительно короткое по геологическим масштабам время – от 107 до 108 лет. Однако как во время, так и сразу же после аккреции существовали достаточно мощные источники тепловой энергии, которые привели к разогреву Земли.

О глобальной энергетике Земли подробно будет рассказано в главе 6. Здесь же отметим, что начальный разогрев Земли был связан прежде всего с самим процессом аккреции, поскольку постепенное столкновение планетезималей, образующих планету, неизбежно должно было преобразовывать их кинетическую энергию в тепловую. На ранних стадиях аккреции сила притяжения “зародыша” планеты была небольшой и потому скорость и энергия ударов новых добавляющихся планетезималей была низка; однако с ростом планеты интенсивность ее гравитаци-онного поля увеличивалась, а значит, возрастала и скорость падения планетезималей. Как следствие, разогрев Земли стано-вился все более существенным.

По расчетам (см. главу 6) общая энергия аккреции Земли была настолько огромной, что ее одной хватило бы не только на полное испарение земного вещества, но и на разогрев возникшей плазмы до десятков тысяч градусов. Однако этого не произошло, поскольку энергия аккреции выделялась главным образом в приповерхностных частях формирующейся планеты, а генерируемое в ее верхних слоях тепло интенсивно излучалось в космическое пространство. При этом доля теряемого тепла сущест-венно зависела от скорости аккреции Земли. Таким образом, температура в недрах молодой Земли повышалась от центра к периферии (обратно тому, что наблюдается в современной Земле), но затем вблизи поверхности вновь снижалась за счет быстрого остывания приповерхностных частей

(см. рис. 6.1.1).

В процессе аккреционного разогрева Земля и другие планеты земной группы, очевидно, теряли какую-то часть легких и летучих элементов. Следовательно, из модели холодной аккреции планет земной группы вытекает, что наиболее крупные планеты должны иметь наименьшие концентрации легких и летучих элементов и, как следствие, наибольшую среднюю плотность, поскольку аккреция крупных планет шла интенсивнее, чем мелких, из-за более интенсивного гравитационного поля. На рис. 1.1.4.2 видно, что такая закономерность наблюдается в действительности. Из нее выпадает лишь ближняя к Солнцу планета Меркурий, но его высокая плотность, скорее всего, объясняется аккрецией вне “хондритовой зоны” Солнечной туманности, в области повышенных температур, вследствие чего,

как предполагается, Меркурий еще до начала аккреции был обогащен железом и другими тяжелыми и тугоплавкими элементами.

Рис. 1.1.4.2. Зависимость между размерами и плотностями планет земной группы.

Для Земли радиус принят равным 1.

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

Плотность, г/ см3

Вторая причина начального разогрева Земли, после того, как ее аккреция в основном уже завершилась, – это радиоактивный распад. Выше говорилось о том, что уже в первичной Солнечной

туманности присутствовали сравнительно короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26 Al,244 Pu и129 I (следы их распада

обнаружены в метеоритах). Несомненно, что распад перечисленных короткоживущих изотопов привел к выделению какого-то дополнительного тепла и сыграл свою роль в начальном разогреве Земли. Однако вклад радиогенного тепла в разогрев молодой Земли оценивается очень неопределенно. Дело в том, что процесс аккреции, как уже отмечалось, растянулся на 107 – 108 лет, и неизвестно, какое именно количество изотопов оказалось в Земле к началу аккреции. Например, если содержание изотопа26 Al в рождающейся Земле было таким, как в некоторых метеоритах, то одного его распада хватило бы для того, чтобы вся наша планета расплавилась. Однако задержка начала аккреции Земли всего на 0,7 млн лет (период полураспада26 Al) уменьшила бы выделение радиогенного тепла вдвое.

В последние годы третий, дополнительный источник начального разогрева Земли объясняется захватом Протолуны – гораздо более массивной предшественницы современной Луны. Предполагается, что Протолуна просуществовала на околоземной орбите сравнительно недолго, около 600 млн лет, а затем разрушилась, но за это время Земля получила дополнительное тепло за счет сильнейших приливных взаимодействий со своим массивным

спутником. (Подробнее об эволюции двойной планеты Земля – Протолуна также пойдет речь в главе 6.)

Таким образом, разогрев только что образовавшейся и изначально холодной Земли шел под действием трех главных процессов: аккреции, распада короткоживущих радиоактивных изотопов и приливных взаимодействий с Протолуной. По мере нагревания Земли началось ее частичное плавление. Вещества, богатые железом, должны были плавиться первыми, когда силикаты оставались еще твердыми. Поскольку температурный градиент в молодой Земле был отрицательным (приповерхностные оболочки горячее внутренних), расплавленное железо должно было собираться на некоторой глубине под поверхностью молодой Земли в форме линз или каплевидных скоплений. По мере того, как масса таких “капель” увеличивалась, создаваемое их весом давление становилось больше прочности силикатов, и “капли” проходили сквозь силикатную массу к центру планеты. Таким образом, началось расслоение первично гомогенной Земли на две различные по плотности и составу области – железистое ядро (сидерофильно-халькофильный слой) и силикатную мантию (литофильный слой).

Все описанные события имели место вскоре после образования Солнечной системы, вблизи “точки геологического нуля”, около 4,6 млрд лет назад. После этого, уже на стадии геологической эволюции Земли, процессы дифференциации ее недр продолжались. Источником энергии оставалось, как и прежде, запасенное Землей тепло аккреции и приливных взаимодействий с Протолуной, к которому добавилось радиогенное тепло, выделяющееся при распаде долгоживущих изотопов 238 U,235 U,232 Th и40 K.

Наиболее важно то, что уже на ранних этапах геологической истории в суммарный энергетический баланс Земли включился новый и чрезвычайно мощный источник энергии, связанный с конвективным перемешиванием ее недр (см. раздел 2.5 и главу 6), впоследствии ставший и до настоящего времени являющийся главным источником внутренней (эндогенной) активности Земли. Прообразом будущей конвекции было описанное выше стекание железных “капель” к центру Земли. Много позже, около 2,7 – 2,5 млрд лет назад, процесс значительно усилился: произошло лавинообразное стекание железистых расплавов из приповерхностных оболочек Земли к ее центру (см. главу 6), в результате