6.4. АККРЕЦИЯ НА ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Многие модели оптического и рентгеновского излучения квазаров основаны на квазисферической, или дисковой, аккреции на черные дыры (разд. 4). Важным параметром в этих моделях является отношение времени падения ко времени охлаждения Если это отношение значительно больше или значительно меньше единицы, то эффективность высвобождения энергии будет низкой и гравитационная энергия аккрецируемого вещества будет заглатываться дырой в виде кинетической или тепловой энергии. Если то величина может быть большой. Для квазисферической аккреции большая часть падающего газа могла бы иметь форму холодных облаков с низким угловым моментом. Если (в идеальном случае) эти облака сталкиваются очень близко к дыре, где их относительные скорости достигают с, то в облаках будут возникать ударные волны, производящие эффективную диссипацию [61, 167, 168]. (Из наблюдений галактических остатков Сверхновых нам известно, что ударные волны со скоростями с достаточно эффективны для ускорения релятивистских электронов и что результирующие эффективности излучения являются вполне правдоподобными, если этот тип столкновения может произойти в действительности.) Как говорилось выше, при дисковой аккреции также может быть величиной

Неустойчивости, которые являются бедствием для моделей рентгеновских двойных, в полной мере присутствуют и в дисковых моделях квазаров. Самые внутренние области диска, окружающие черную дыру с массой аккрецирующую на эддингтоновском пределе, должны иметь температуры 10в К. Это значит, что отношение давления излучения к газовому давлению (см. разд. 4) велико и что охлаждение в линиях (см., например, [341) может быть очень важным. Оба эти фактора сильно способствуют тепловой неустойчивости. (В любом случае простые дисковые модели без неустойчивостей не могут воспроизвести полного диапазона наблюдаемого спектра.) Подобная неустойчивость может встретиться, если аккрецируется магнитное поле и синхротронное излучение релятивистских электронов важно во внутренней части диска [163].

Стандартные, не учитывающие неустойчивостей предположения о процессе дисковой аккреции, которые могут быть в какой-то мере справедливыми для рентгеновских двойных, вероятно, не пригодны для квазаров.

В литературе по квазарам обсуждаются два варианта стандартной модели дисковой аккреции. Во-первых, диск может быть достаточно массивным, чтобы нельзя было игнорировать его самогравитацию. (Условием этого является то, что плотность материи в диске на радиусе превосходит «предел Роша» где М — масса дыры [147].) В этом случае угловой момент может переноситься наружу скорее гравитационными взаимодействиями, сходными

с теми, которые действуют в спиральных галактиках, чем локальными вязкими напряжениями. Во-вторых, Абрамович, Яросинский и Сикору [2], а также Козловский, Яросинский и Абрамович [102] исследовали характер эквипотенциальных поверхностей вблизи горизонта событий керровской дыры. Они нашли, что если вязкие и радиационные напряжения не играют существенной роли, то аккрецирующая материя заполнит пространство, ограниченное нулевой эквипотенциальной поверхностью, и что исключенный объем будет определять начало пары каналов, вдоль которых может фокусироваться энергия, необходимая для образования двойного радиоисточника.

В стандартном аккреционном диске энергия выделяется локально в виде излучения, которое свободно уходит с поверхности диска. В случае квазаров более обещающей является скорее та идея, что большая часть энергии освобождается вблизи дыры в неизлучательной форме и что большая часть излучения непрерывного спектра генерируется на некотором расстоянии от дыры, где выходящий поток энергии взаимодействует с окружающим веществом.

В одном случае реализации этой идеи (см. [11, 87, 88, 108, 157]) освобождаемая гравитационная энергия запасается в «короне» над диском. Энергия может быть унесена в виде излучательным или тепловым механизмом управляемого ветра — сдвинутая по масштабу версия солнечного ветра, который уносит большую часть энергии, накопленной в солнечной короне. Были найдены решения подобия, в которых малая часть вещества, аккрецирующего в диске, «принимается» дырой и может генерировать светимость Остальное вещество уносится радиационным давлением. При этом оказывается возможным получать потоки, коллимированные параллельно и антипараллельно спиновой оси.

В альтернативной схеме (см. [26], а также статью Блэндорфа в книге [80] и приведенные там ссылки) энергия и угловой момент аккрецирующего газа извлекаются электромагнитными скручивающими усилиями, действующими вблизи дыры. Это на самом деле может быть сделано с достаточно высокой эффективностью даже в осесимметричной геометрии. Рассмотрим магнитное поле, внедренное в диск. В первом приближении поле будет «вморожено» в материю, вращающуюся в диске (вследствие огромной электрической проводимости, что подразумевает «идеальное МГД-условие» Ротор этого уравнения подразумевает , что прямо интерпретируется как вмораживание магнитного поля в вещество). Магнитные силовые линии, выходящие из диска и «вмороженные» во вращающуюся в диске материю, будут генерировать электрическое поле, каким бы его видели локально невращающиеся (стационарные) наблюдатели. Это электрическое поле создает электрическую разность потенциалов поперек самых внутренних частей диска и фактически поперек дыры, точно так же, как в диске Фарадея. Эта разность потенциалов будет заставлять токи

течь вдоль магнитных силовых линий из диска, устанавливая магнитосферу вокруг дыры. В конце концов эти токи будут генерировать тороидальную компоненту магнитного поля, так что силовые линии будут сноситься назад движением вещества. Поэтому будет существовать сопротивляющийся момент вращения, действующий на любое вещество вблизи дыры, и это может приводить к переносу углового момента (и энергии) не наружу в плоскости диска (как в обычных моделях с вязкостью), а перпендикулярно диску в виде электромагнитного или гидромагнитного потока Пойнтинга.

Тот же механизм может вести к извлечению спиновой энергии из самой дыры. Из керровской черной дыры с удельным угловым моментом а в принципе можно извлечь [46] долюэнергии (изменяющуюся от 0 до 29% при возрастании а от 0 до М). Однако чтобы это осуществилось на практике, требуются токи, свободно текущие поперек горизонта. Поскольку частицы должны двигаться внутрь на горизонте и могут, по-видимому, двигаться наружу на больших расстояниях, должен существовать какой-то источник зарядов, переносящих ток во внутренней магнитосфере. Он может обеспечиваться разрушением вакуума над горизонтом, как при ударе молнии. Это приводит к тому, что при ожидаемых внутри ядра квазара условиях существуют простые механизмы, способные произвести это разрушение. Это дает альтернативный способ высвобождения значительной части энергии покоя аккрецируемого вещества. На самом деле любой аккрецирующий замагниченный газ будет, по-видимому, нестабильным, так что большая часть энергии будет выделяться скорее во взрывных вспышках [1831, чем в описанных здесь идеализированных стационарных во времени процессах.

Конечным результатом действия как коронального, так и электромагнитного механизма будет, по-видимому, коллимированный ветер, вполне вероятно, движущийся с релятивистской скоростью. Однако он вряд ли может создавать двойной радиоисточник без дополнительных фокусирующих механизмов вдали от дыры.

Если оказывается, что основная часть наблюдаемой энергии излучения имеет вторичное происхождение и не генерируется очень близко к дыре, то становится гораздо труднее отличить модель с черной дырой от модели, основанной, например, на сверхмассивной звезде. Вероятно, в понимании природы излучающей области наибольшие надежды можно возлагать на рентгеновские наблюдения удаленных квазаров и оптические наблюдения «Лацертид» (класс квазароподобных объектов, характеризуемых отсутствием эмиссионных линий и наличием высокой поляризации, крутого спектра и экстремально быстрой переменности).

Если черная дыра в квазаре не окружена особенно массивным диском, она должна получать газообразное топливо со скоростью Постулируются два характерных механизма. Во-первых, плотное скопление звезд вокруг массивной дыры

должно иметь в центре пик плотности, обеспечиваемый действием механизмов, обсужденных в разд. 5 для черных дыр в шаровых скоплениях. Звезды внутри этого пика могут разрушаться приливными силами или столкновениями, и значительная часть газообразных продуктов разрушения должна падать на дыру [64, 113]. Если бы дыра была достаточно массивна она могла бы притягивать достаточно плотные области скопления, так чтобы обеспечить топливом даже наиболее яркие квазары [2251. Можно было бы думать, что поставляемая таким образом плазма будет неспособна определять выделенную ось. Напротив, Бардин и Петтерсон [12] показали, что если дыра быстро вращается, то в пределах —100 шварцшильдовских радиусов аккрецируемая плазма будет оседать в экваториальной плоскости дыры. Интересно, что дыра с массой создает приливное ускорение в звезде типа Солнца, которое меньше, чем ее собственная гравитация Это означает, что звезды не будут разрушаться приливными силами до пересечения ими горизонта, и это может обеспечить способ выключения квазаров, когда их массы становятся больше чем

Другим постулируемым источником аккрецируемого вещества для черной дыры является окружающий газ в окрестности дыры. Такой газ мог бы генерироваться звездными процессами (Сверхновые, планетарные туманности и т. д.) в гипотетической окружающей галактике (см., например, 1671) или выхватываться из проходящей галактики (см., например, статью Ганна в книге [80]).

Образование черной дыры прежде всего дает богатые возможности для произвольных теоретических выводов. Как обсуждается в п. 7.1, дыра может быть первичной и на самом деле играть роль зародыша конденсации окружающей галактики. Однако она может быть также естественным продуктом эволюции массивного ядра звездного скопления, увеличенным в масштабе вариантом сценария для шарового скопления (см. разд. 5). Как и в шаровых скоплениях, дыра может проглотить заметную часть массы первичного скопления, если только имеется эффективный механизм диссипации (например, звездные столкновения), который может увеличить энергию связи звезд. Этот вопрос подробно обсуждается Рисом в работе [80].