Государственная премия через 44 года нашла героев

Рисунок художника, изображающий источник Лебедь Х-1. Иллюстрация применима (точнее неприменима, поскольку невозможно правильно соблюсти масштаб и цвета) и к другим двойным системам с аккрецией на компактный объект. (Рисунок с сайта spacetelescope.org)

Рису­нок худож­ни­ка, изоб­ра­жа­ю­щий источ­ник Лебедь Х-1. Иллю­стра­ция при­ме­ни­ма (точ­нее непри­ме­ни­ма, посколь­ку невоз­мож­но пра­виль­но соблю­сти мас­штаб и цве­та) и к дру­гим двой­ным систе­мам с аккре­ци­ей на ком­пакт­ный объ­ект. (Рису­нок с сай­та spacetelescope.org)

Борис Штерн

Борис Штерн

Госу­дар­ствен­ная пре­мия 2016 года в обла­сти нау­ки и тех­но­ло­гий при­суж­де­на аст­ро­фи­зи­кам Нико­лаю Шаку­ре и Раши­ду Сюня­е­ву за рабо­ту, опуб­ли­ко­ван­ную в 1973 году. Ее вру­че­ние состо­я­лось 12 июня 2017 года в Крем­ле [1]. В пре­ам­бу­ле пре­мии отме­ча­ет­ся, что она при­суж­де­на «за созда­ние тео­рии дис­ко­вой аккре­ции веще­ства на чер­ные дыры». Глав­ная ста­тья опуб­ли­ко­ва­на в жур­на­ле Astronomy and Astrophysics, она назы­ва­ет­ся «Чер­ные дыры в двой­ных систе­мах. Наблю­да­е­мые про­яв­ле­ния» [2].

Напом­ним, что пилот­ный номер нашей газе­ты мы посвя­ти­ли как раз этой ста­тье [3] — самой цити­ру­е­мой пуб­ли­ка­ции рос­сий­ских авто­ров за всё вре­мя суще­ство­ва­ния рос­сий­ской нау­ки. Это вто­рая в мире по цити­ру­е­мо­сти ста­тья по аст­ро­фи­зи­ке (пер­вое место зани­ма­ет ста­тья спра­воч­но­го харак­те­ра). Чис­ло цити­ро­ва­ний этой ста­тьи пере­ва­ли­ло за 8 тыс по дан­ным NASA ADS. Так что до при­суж­де­ния этой пре­мии лау­ре­а­ты отнюдь не пре­бы­ва­ли в без­вест­но­сти. Это дале­ко не пер­вая их награ­да за эту рабо­ту.

Предыстория

Дол­гое вре­мя чер­ные дыры вос­при­ни­ма­лись как экзо­ти­че­ский курьез общей тео­рии отно­си­тель­но­сти. Нако­нец посте­пен­но поня­ли, что боль­шие звез­ды, когда про­го­ра­ют, долж­ны закан­чи­вать свою жизнь как чер­ные дыры: они не могут остать­ся белы­ми кар­ли­ка­ми из-за так назы­ва­е­мо­го пре­де­ла Чанд­рас­е­ка­ра.

А самые тяже­лые, мас­сой более 30–40 сол­неч­ных масс, кол­лап­си­руя и даже теряя при этом боль­шую часть мас­сы, не могут застрять на ста­дии ней­трон­ной звез­ды из-за пре­де­ла Оппен­гей­ме­ра — Вол­ко­ва. В пер­вом слу­чае тяго­те­ние пре­одо­ле­ва­ет дав­ле­ние вырож­ден­но­го газа элек­тро­нов, во вто­ром слу­чае — ней­тро­нов. То есть ника­кие физи­че­ские силы не в состо­я­нии предот­вра­тить кол­лапс очень мас­сив­ных звезд, зна­чит, они обя­за­тель­но долж­ны стать чер­ны­ми дыра­ми. Где же они? Нега­тив­ной аргу­мен­та­ции мало, тре­бу­ет­ся под­твер­жде­ние.

Изо­ли­ро­ван­ная чер­ная дыра, на кото­рую ниче­го не пада­ет, не излу­ча­ет ниче­го (излу­че­ние Хокин­га ничтож­но). Един­ствен­ный шанс обна­ру­жить чер­ную дыру дает слу­чай, когда на нее пада­ет веще­ство. Отку­да? Напри­мер, в двой­ной систе­ме — с нор­маль­ной звез­ды, обра­ща­ю­щей­ся вокруг обще­го цен­тра тяже­сти с чер­ной дырой.

В 1964 году с помо­щью запус­ков суб­ор­би­таль­ных ракет со счет­чи­ка­ми Гей­ге­ра, ска­ни­ру­ю­щи­ми небо, были обна­ру­же­ны несколь­ко рент­ге­нов­ских источ­ни­ков. Сре­ди них Лебедь Х-1. В 1970 году была запу­ще­на пер­вая рент­ге­нов­ская обсер­ва­то­рия «Уху­ру», нашед­шая более трех­сот источ­ни­ков. По дан­ным «Уху­ру» каза­лось, что Лебедь Х-1 — быст­ро­пе­ре­мен­ный объ­ект, спо­соб­ный менять све­ти­мость за мил­ли­се­кун­ды. Зна­чит, он очень ком­пакт­ный.

В 1971 году обна­ру­жи­ли радио­и­сточ­ник, сов­па­да­ю­щий по поло­же­нию с Лебе­дем Х-1, при­чем точ­ность лока­ли­за­ции в радио намно­го луч­ше, чем в рент­гене. Это помог­ло отож­де­ствить звез­ду, нахо­дя­щу­ю­ся на месте источ­ни­ка, — голу­бой гигант HDE 226868. Вско­ре обна­ру­жи­ли пери­о­ди­че­ское сме­ще­ние спек­траль­ных линий звез­ды.

Из пери­о­да выте­ка­ет, что у нее есть ком­пакт­ный ком­па­ньон с мас­сой заве­до­мо боль­ше 10 сол­неч­ных масс — намно­го боль­ше, чем верх­ний пре­дел мас­сы ней­трон­ных звезд. Так был открыт пер­вый кан­ди­дат в чер­ные дыры звезд­ной мас­сы. Сей­час сло­во «кан­ди­дат» про­па­ло — извест­но огром­ное коли­че­ство таких объ­ек­тов, коли­че­ство дан­ных о них тоже огром­но, никто не сомне­ва­ет­ся, что это имен­но чер­ные дыры. Точ­ка постав­ле­на год с неболь­шим назад реги­стра­ци­ей гра­ви­та­ци­он­ных волн от сли­ва­ю­щих­ся чер­ных дыр — рас­се­я­лись послед­ние смут­ные сомне­ния в суще­ство­ва­нии чер­ных дыр звезд­ной мас­сы.

Всюду диски…

Как веще­ство может падать на чер­ную дыру (паде­ние веще­ства на аст­ро­но­ми­че­ский объ­ект, за счет кото­ро­го он рас­тет, назы­ва­ют аккре­ци­ей). Если это про­сто меж­звезд­ный газ — то, ско­рее все­го, как изо­троп­ный поток со всех сто­рон. Такой режим сфе­ри­че­ски сим­мет­рич­ной аккре­ции изу­чен тео­ре­ти­че­ски, он навер­ня­ка быва­ет в жиз­ни. Но если веще­ства мно­го и есть некий пре­об­ла­да­ю­щий вра­ща­тель­ный момент, поток обя­за­тель­но собе­рет­ся в диск.

Дис­ки в аст­ро­фи­зи­ке обра­зу­ют­ся вез­де — от колец Сатур­на до галак­тик. Меха­низм обра­зо­ва­ния у них общий: веще­ство лета­ет вокруг тяго­те­ю­ще­го цен­тра по кепле­ров­ским орби­там. Если эти кепле­ров­ские орби­ты хао­тич­ны, то части­цы веще­ства неупру­го стал­ки­ва­ют­ся друг с дру­гом так, что орби­ты посте­пен­но сбли­жа­ют­ся. Это про­ис­хо­дит до тех пор, пока все орби­ты не ста­нут кру­го­вы­ми в одной плос­ко­сти, — тогда столк­но­ве­ния пре­кра­тят­ся. При­мер почти иде­аль­но­го дис­ка — коль­ца Сатур­на, где глы­бы и булыж­ни­ки из гряз­но­го льда летят парал­лель­но друг дру­гу деся­ти­мет­ро­вым сло­ем.

Но в таком иде­аль­ном коль­це нет дви­же­ния внутрь. Глы­бы не пада­ют на Сатурн. Это­му меша­ет закон сохра­не­ния момен­та импуль­са — коль­ца Сатур­на не могут его сбро­сить. В слу­чае аккре­ци­ру­ю­щих чер­ных дыр диск дол­жен вести себя как-то ина­че. Как имен­но — это­му и посвя­ще­на зна­ме­ни­тая рабо­та.

Николай Шакура

Нико­лай Шаку­ра

На самом деле клю­че­вая идея была опуб­ли­ко­ва­на годом рань­ше Нико­ла­ем Шаку­рой в «Аст­ро­но­ми­че­ском жур­на­ле». Она доста­точ­но про­ста. Пове­де­ние дис­ка при задан­ном тем­пе поступ­ле­ния веще­ства извне зави­сит от одно­го пара­мет­ра — вяз­ко­сти. Если есть вяз­кость, то меж­ду смеж­ны­ми орби­та­ми появ­ля­ет­ся тре­ние. Веще­ство на любой орби­те пере­да­ет угло­вой момент веще­ству более мед­лен­ной внеш­ней орби­ты. Так про­ис­хо­дит транс­порт момен­та импуль­са изнут­ри нару­жу, за счет чего веще­ство дис­ка, избав­ля­ясь от момен­та, по спи­ра­ли стя­ги­ва­ет­ся к цен­траль­но­му телу.

Отку­да берет­ся вяз­кость? Во-пер­вых, из-за тур­бу­лент­но­сти в дис­ке — веще­ство смеж­ных орбит пере­ме­ши­ва­ет­ся. Во вто­рых, из-за маг­нит­но­го поля, про­ни­зы­ва­ю­ще­го диск, — оно вмо­ро­же­но в веще­ство и ведет себя как упру­гий мате­ри­ал.

В рабо­те Нико­лая Шаку­ры впер­вые был вве­ден удоб­ный без­раз­мер­ный пара­метр a, вели­чи­на кото­ро­го пред­став­ля­ет собой отно­ше­ние квад­ра­та тур­бу­лент­ных ско­ро­стей к квад­ра­ту ско­ро­сти зву­ка. В сов­мест­ной рабо­те с Раши­дом Сюня­е­вым в опре­де­ле­ние это­го пара­мет­ра было добав­ле­но маг­нит­ное поле. Эти вели­чи­ны очень при­выч­ны и есте­ствен­ны для аст­ро­фи­зи­ков. Они вза­и­мо­свя­за­ны — тур­бу­лент­ность рабо­та­ет как маг­нит­ное дина­мо, уси­ли­вая поле. Эти вели­чи­ны нель­зя изме­рить, но есть доволь­но общие сооб­ра­же­ния, как их при­мер­но оце­нить.

Основополагающая статья

Рашид Сюняев

Рашид Сюня­ев

Эта пер­вая рабо­та Н. И. Шаку­ры оста­лась не столь извест­ной, как вто­рая рабо­та 1973 года, опуб­ли­ко­ван­ная в соав­тор­стве с Раши­дом Сюня­е­вым. Во-пер­вых, она опуб­ли­ко­ва­на в меж­ду­на­род­ном жур­на­ле. Во-вто­рых, она луч­ше напи­са­на и гораз­до пол­нее.

Кро­ме дина­ми­ки дис­ка опи­сы­ва­ет­ся его тер­мо­ди­на­ми­ка, излу­че­ние в раз­ных режи­мах аккре­ции, его пере­мен­ность во вре­ме­ни и вли­я­ние излу­че­ния дис­ка на звез­ду-ком­па­ньон. Ста­тья ста­ла осно­во­по­ла­га­ю­щей. Любая более позд­няя рабо­та по дис­ко­вой аккре­ции в той или иной сте­пе­ни, пря­мо или кос­вен­но исполь­зу­ет резуль­та­ты, изло­жен­ные в ста­тье Нико­лая Шаку­ры и Раши­да Сюня­е­ва. Отсю­да и гигант­ское чис­ло ссы­лок.

Область захва­ты­ва­ю­ще инте­рес­ная, там оста­лось еще мно­го зага­док. Напри­мер, режим аккре­ции меня­ет­ся скач­ка­ми — то излу­ча­ет­ся жест­кий рент­ген мень­шей интен­сив­но­сти, то мяг­кий с боль­шей све­ти­мо­стью. Это хоть и смут­но, но поня­то. Или, напри­мер, автор этой замет­ки, рабо­тая с дан­ны­ми инстру­мен­та BATSE гам­ма-обсер­ва­то­рии «Комп­тон», неожи­дан­но обна­ру­жил гигант­ские рент­ге­нов­ские всплес­ки выше­упо­мя­ну­то­го Лебе­дя Х-1 — их поче­му-то не заме­ти­ли чле­ны коман­ды BATSE. Отку­да они? Что за явле­ние? Никто не зна­ет.

Да там целый кла­дезь эффек­тов: коро­на дис­ка, ква­зи­пе­ри­о­ди­че­ские осцил­ля­ции, нако­нец, самое потря­са­ю­щее явле­ние — дже­ты, струи замаг­ни­чен­ной плаз­мы, бью­щие вдоль оси вра­ще­ния дис­ков. И ведь всё это отно­сит­ся не толь­ко к чер­ным дырам звезд­ной мас­сы. Зна­ме­ни­тые ква­за­ры — это те же аккре­ци­он­ные дис­ки, толь­ко у сверх­мас­сив­ных чер­ных дыр в цен­трах галак­тик. Даже про­то­пла­нет­ные дис­ки на ран­ней ста­дии, веро­ят­но, могут опи­сы­вать­ся в тер­ми­нах моде­ли Шаку­ры — Сюня­е­ва. Они, кста­ти, тоже испус­ка­ют вели­ко­леп­ные дже­ты.

Дис­ко­вая аккре­ция неис­чер­па­е­ма (в отли­чие от элек­тро­на). Рост чис­ла цити­ро­ва­ний ста­тьи Шаку­ры — Сюня­е­ва уско­ря­ет­ся. Основ­ным мето­дом иссле­до­ва­ния, как и во мно­гих дру­гих обла­стях нау­ки, ста­но­вит­ся чис­лен­ное моде­ли­ро­ва­ние с при­вле­че­ни­ем боль­ших вычис­ли­тель­ных ресур­сов. А куда девать­ся? Тем более мож­но поздра­вить тех, кому когда-то уда­лось най­ти общее опи­са­ние явле­ния с помо­щью руч­ки и бума­ги. Вне зави­си­мо­сти от чис­ла полу­чен­ных пре­мий.

Борис Штерн,
глав­ный редак­тор ТрВ-Нау­ка, аст­ро­фи­зик

1. http://kremlin.ru/events/president/news/54763

2. Shakura N. I., Syunyaev R. A. Black Holes in Binary Systems. Observational appearance /​/​ Astronomy and Astrophysics, 1973. Vol. 24. P. 337–355.

3. Попов С. Кру­тят­ся дис­ки. http://trv-science.ru/2008/04/01/krutyatsya-diski/ //«Троицкий вари­ант-Нау­ка», №1(1), 1 апре­ля 2008 года.
Ста­тьи в ТрВ-Нау­ка о Н. И. Шаку­ре: http://trv-science.ru/2008/04/01/mini-interview-shakura/ (мини-интер­вью с С. Попо­вым);
http://trv-science.ru/2015/10/20/teoriya-accretii-dvigatel-astrofiziki/ (к 70-летию аст­ро­фи­зи­ка);
http://trv-science.ru/2014/04/22/dolgaya-doroga-k-vershine-zeldovich/ (вос­по­ми­на­ния о Я. Б. Зель­до­ви­че).

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Один комментарий

  • Vlad:

    «Это дале­ко не пер­вая их награ­да за эту рабо­ту.».
    Зави­дую.
    Тако­ва при­ро­да при­зна­ния в нау­ке. Если есть цити­ро­ва­ние – при­зна­ние. А когда уже идет при­ме­не­ние – это озна­ча­ет зна­чи­мость резуль­та­та.
    Кста­ти, о пре­ми­ях. Что-то их у нас очень мало.
    Пола­гаю над этим надо пора­бо­тать.
    Напри­мер, Если у авто­ра есть 100 пуб­ли­ка­ций, чем не повод для пре­мии? Пусть даже сим­во­ли­че­ской: под назва­ни­ем «Моя пер­вая сот­ня».
    Затем, когда появ­ля­ет­ся пер­вая тыся­ча цити­ро­ва­ний, появ­ля­ет­ся еще один повод для пре­мии. Ну и так далее.
    К 70 годам, док­то­ру наук хоро­шо бы иметь 3–5 пре­мий. Вот это пра­виль­ная жизнь.
    Будет что пере­дать наслед­ни­кам, чем погор­дить­ся чем при­влечь моло­дежь в нау­ку.
    Ведь не одним инте­гра­лом жива нау­ка. Нуж­ны и внеш­ние, всем понят­ные при­ме­ты при­зна­ния и зна­чи­мо­сти.
    А как сей­час?? Оч. дале­ко не так, т.е. не пра­виль­но. Непра­виль­но живем, това­ри­щи уче­ные.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com