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 .

Синонимы :

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

Для неподвижной относительно тела газовой среды аккреция сферически симметрична . В случае излучающих тел (звёзд) сферически симметричная аккреция газа возможна только при условии, что светимость тела не превышает критическую светимость , то есть гравитационные силы превышают давление излучения тяготеющего тела.

Для движущихся гравитирующих тел аккреция близка к сферически симметричной при скорости движения тела меньшей скорости звука в среде. При сверхзвуковых скоростях движения гравитирующего тела сквозь газовую среду, аккреция на него происходит в конусе, расположенном позади тела (точнее, позади вектора скорости тела) и ограниченном вызванной им ударной волной .

Аккреция в магнитном поле

При аккреции плазмы на небесное тело, обладающее собственным магнитным полем , механизмы аккреции определяются магнитогидродинамическим взаимодействием плазмы с магнитным полем.

Если давление магнитного поля в окрестностях небесного тела превышает газовое давление аккрецируемой плазмы, то аккреция останавливается на расстоянии альвеновского радиуса, то есть на границе магнитосферы , и направляется на магнитные полюса небесного тела. Необходимым условием аккреции плазмы на магнитные полюса является её проникновение внутрь магнитосферы, которое происходит за счёт развития магнитогидродинамических неустойчивостей типа неустойчивости Рэлея - Тейлора . Граница магнитосферы (магнитопауза) определяется условием равенства давлений магнитного поля и набегающей плазмы, то есть радиус магнитосферы (альфвеновский радиус $r\_A$) определяется соотношением:

$\{1\; \backslash over\; \{8\backslash pi\; \}\}B^2\; (r\_A)\; =\; \{1\; \backslash over\; 2\}\backslash rho\; V^2\; (r\_A)$

где $B$ - магнитное поле небесного тела, $\backslash rho$ и $V$ - соответственно плотность и скорость потока набегающей плазмы.

Аккреция в тесных двойных системах

В случае двойных систем аккреция существенно асимметрична и может вносить значительный вклад в эволюцию как самой системы, так и её компонентов. Наиболее интенсивная аккреция в двойных системах происходит, когда в процессе эволюции один из компонентов заполняет свою полость Роша , что приводит к перетеканию вещества на соседнюю звезду через внутреннюю точку Лагранжа $L\_1$. В этом процессе перетекающее вещество образует аккреционный диск , ответственный за многие наблюдательные феномены рентгеновских источников.

Астрономические феномены, вызываемые аккрецией

Наиболее интересные явления вызываются аккрецией на компактную проэволюционировавшую компоненту двойной системы.

• Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный гигант , приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG) и новоподобных переменных звёзд.
• Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем, направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
• Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды .
• Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и гравитационному коллапсу , наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia.
• Аккреция на поверхность нейтронных звезд с накоплением на её поверхности и образованием вырожденной оболочки (см. вырожденный газ), богатой водородом и гелием, приводит к взрывному термоядерному синтезу. Такие объекты наблюдаются как вспыхивающие рентгеновские источники с периодом от нескольких часов до нескольких дней (барстеры).
• При аккреции на нейтронные звезды, обладающие сильным магнитным полем, давление магнитного поля в магнитосфере нейтронной звезды сравнивается с давлением аккрецирующего потока ионизированного вещества и канализирует поток аккрецирующей плазмы в область магнитных полюсов. Вследствие вращения нейтронной звезды наблюдаемый поток излучения периодичен; такие системы наблюдаются как рентгеновские пульсары .
• При аккреции на чёрные дыры сверхгорячий аккреционный диск наблюдается как рентгеновский источник.

Напишите отзыв о статье "Аккреция"

Примечания

Ссылки

Составляющие Туманности Области звездообразования Околозвёздные образования Излучение

Отрывок, характеризующий Аккреция

– Как же, полковник, – кричал он еще на езде, – я вам говорил мост зажечь, а теперь кто то переврал; там все с ума сходят, ничего не разберешь.
Полковник неторопливо остановил полк и обратился к Несвицкому:
– Вы мне говорили про горючие вещества, – сказал он, – а про то, чтобы зажигать, вы мне ничего не говорили.
– Да как же, батюшка, – заговорил, остановившись, Несвицкий, снимая фуражку и расправляя пухлой рукой мокрые от пота волосы, – как же не говорил, что мост зажечь, когда горючие вещества положили?
– Я вам не «батюшка», господин штаб офицер, а вы мне не говорили, чтоб мост зажигайт! Я служба знаю, и мне в привычка приказание строго исполняйт. Вы сказали, мост зажгут, а кто зажгут, я святым духом не могу знайт…
– Ну, вот всегда так, – махнув рукой, сказал Несвицкий. – Ты как здесь? – обратился он к Жеркову.
– Да за тем же. Однако ты отсырел, дай я тебя выжму.
– Вы сказали, господин штаб офицер, – продолжал полковник обиженным тоном…
– Полковник, – перебил свитский офицер, – надо торопиться, а то неприятель пододвинет орудия на картечный выстрел.
Полковник молча посмотрел на свитского офицера, на толстого штаб офицера, на Жеркова и нахмурился.
– Я буду мост зажигайт, – сказал он торжественным тоном, как будто бы выражал этим, что, несмотря на все делаемые ему неприятности, он всё таки сделает то, что должно.
Ударив своими длинными мускулистыми ногами лошадь, как будто она была во всем виновата, полковник выдвинулся вперед к 2 му эскадрону, тому самому, в котором служил Ростов под командою Денисова, скомандовал вернуться назад к мосту.
«Ну, так и есть, – подумал Ростов, – он хочет испытать меня! – Сердце его сжалось, и кровь бросилась к лицу. – Пускай посмотрит, трус ли я» – подумал он.
Опять на всех веселых лицах людей эскадрона появилась та серьезная черта, которая была на них в то время, как они стояли под ядрами. Ростов, не спуская глаз, смотрел на своего врага, полкового командира, желая найти на его лице подтверждение своих догадок; но полковник ни разу не взглянул на Ростова, а смотрел, как всегда во фронте, строго и торжественно. Послышалась команда.
– Живо! Живо! – проговорило около него несколько голосов.
Цепляясь саблями за поводья, гремя шпорами и торопясь, слезали гусары, сами не зная, что они будут делать. Гусары крестились. Ростов уже не смотрел на полкового командира, – ему некогда было. Он боялся, с замиранием сердца боялся, как бы ему не отстать от гусар. Рука его дрожала, когда он передавал лошадь коноводу, и он чувствовал, как со стуком приливает кровь к его сердцу. Денисов, заваливаясь назад и крича что то, проехал мимо него. Ростов ничего не видел, кроме бежавших вокруг него гусар, цеплявшихся шпорами и бренчавших саблями.
– Носилки! – крикнул чей то голос сзади.
Ростов не подумал о том, что значит требование носилок: он бежал, стараясь только быть впереди всех; но у самого моста он, не смотря под ноги, попал в вязкую, растоптанную грязь и, споткнувшись, упал на руки. Его обежали другие.
– По обоий сторона, ротмистр, – послышался ему голос полкового командира, который, заехав вперед, стал верхом недалеко от моста с торжествующим и веселым лицом.
Ростов, обтирая испачканные руки о рейтузы, оглянулся на своего врага и хотел бежать дальше, полагая, что чем он дальше уйдет вперед, тем будет лучше. Но Богданыч, хотя и не глядел и не узнал Ростова, крикнул на него:
– Кто по средине моста бежит? На права сторона! Юнкер, назад! – сердито закричал он и обратился к Денисову, который, щеголяя храбростью, въехал верхом на доски моста.
– Зачем рисковайт, ротмистр! Вы бы слезали, – сказал полковник.
– Э! виноватого найдет, – отвечал Васька Денисов, поворачиваясь на седле.

Между тем Несвицкий, Жерков и свитский офицер стояли вместе вне выстрелов и смотрели то на эту небольшую кучку людей в желтых киверах, темнозеленых куртках, расшитых снурками, и синих рейтузах, копошившихся у моста, то на ту сторону, на приближавшиеся вдалеке синие капоты и группы с лошадьми, которые легко можно было признать за орудия.
«Зажгут или не зажгут мост? Кто прежде? Они добегут и зажгут мост, или французы подъедут на картечный выстрел и перебьют их?» Эти вопросы с замиранием сердца невольно задавал себе каждый из того большого количества войск, которые стояли над мостом и при ярком вечернем свете смотрели на мост и гусаров и на ту сторону, на подвигавшиеся синие капоты со штыками и орудиями.
– Ох! достанется гусарам! – говорил Несвицкий, – не дальше картечного выстрела теперь.
– Напрасно он так много людей повел, – сказал свитский офицер.
– И в самом деле, – сказал Несвицкий. – Тут бы двух молодцов послать, всё равно бы.
– Ах, ваше сиятельство, – вмешался Жерков, не спуская глаз с гусар, но всё с своею наивною манерой, из за которой нельзя было догадаться, серьезно ли, что он говорит, или нет. – Ах, ваше сиятельство! Как вы судите! Двух человек послать, а нам то кто же Владимира с бантом даст? А так то, хоть и поколотят, да можно эскадрон представить и самому бантик получить. Наш Богданыч порядки знает.
– Ну, – сказал свитский офицер, – это картечь!
Он показывал на французские орудия, которые снимались с передков и поспешно отъезжали.
На французской стороне, в тех группах, где были орудия, показался дымок, другой, третий, почти в одно время, и в ту минуту, как долетел звук первого выстрела, показался четвертый. Два звука, один за другим, и третий.
– О, ох! – охнул Несвицкий, как будто от жгучей боли, хватая за руку свитского офицера. – Посмотрите, упал один, упал, упал!
– Два, кажется?
– Был бы я царь, никогда бы не воевал, – сказал Несвицкий, отворачиваясь.
Французские орудия опять поспешно заряжали. Пехота в синих капотах бегом двинулась к мосту. Опять, но в разных промежутках, показались дымки, и защелкала и затрещала картечь по мосту. Но в этот раз Несвицкий не мог видеть того, что делалось на мосту. С моста поднялся густой дым. Гусары успели зажечь мост, и французские батареи стреляли по ним уже не для того, чтобы помешать, а для того, что орудия были наведены и было по ком стрелять.
– Французы успели сделать три картечные выстрела, прежде чем гусары вернулись к коноводам. Два залпа были сделаны неверно, и картечь всю перенесло, но зато последний выстрел попал в середину кучки гусар и повалил троих.
Ростов, озабоченный своими отношениями к Богданычу, остановился на мосту, не зная, что ему делать. Рубить (как он всегда воображал себе сражение) было некого, помогать в зажжении моста он тоже не мог, потому что не взял с собою, как другие солдаты, жгута соломы. Он стоял и оглядывался, как вдруг затрещало по мосту будто рассыпанные орехи, и один из гусар, ближе всех бывший от него, со стоном упал на перилы. Ростов побежал к нему вместе с другими. Опять закричал кто то: «Носилки!». Гусара подхватили четыре человека и стали поднимать.

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

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

АККРЕЦИЯ (от латинского accretio - приращение, увеличение) в астрономии, процесс захвата вещества из окружающего пространства гравитационным полем небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела.

С середины 20 века термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздного и межпланетного газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К аккреции относят также перетекание вещества в двойных звёздных системах с одного компонента на другой. Аккреция вещества на конечные продукты звёздной эволюции - белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры - сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе аккреция играла важную роль при формировании планет из вещества протопланетного диска.

В областях звездообразования наблюдается аккреция дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также аккреция межгалактического вещества на галактики.

Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный массивный объект может происходить в режимах редких либо частых взаимных столкновений падающих частиц. В режиме редких столкновений скорость роста массы объекта зависит от его размера, поскольку он захватывает те частицы, орбиты которых пересекают его поверхность. В случае частых столкновений устанавливается режим стационарной сферически симметричной газодинамической аккреции, при котором скорость роста массы значительно больше, чем в режиме редких столкновений, и не зависит от размера центральный объекта. По мере приближения к объекту газ ускоряется и уплотняется, его температура растёт и возникает тепловое излучение. При встрече газа с поверхностью компактного объекта формируется сильная ударная волна, в которой падающее вещество нагревается и высвечивает свою кинетическую энергию.

Рисунок двойной звёздной системы, состоящей из нормальной звезды 1 и чёрной дыры 2. Изображены аккреционный диск 3 вокруг чёрной дыры и рентгеновское излучение диска.

Скорость падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при ударе вещества о поверхность в десятки раз выше, чем при ядерных реакциях. Если нейтронная звезда или белый карлик имеют сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток тормозится на таком расстоянии от них (радиус Альвена), где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате гидродинамической неустойчивости типа Рэлея-Тейлора вещество проникает в магнитное поле и падает вдоль его силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется энергия. Если при этом объект вращается, то он проявляет себя как пульсар.

В сильных гравитационных полях чёрных дыр, где тяготение имеет существенно неньютонов характер, возможен иной тип движения - гравитационный захват частиц, которые проникают внутрь горизонта событий чёрной дыры без какого-либо энерговыделения (подробнее смотри в статье Чёрные дыры).

Наличие у падающего вещества большого удельного момента импульса препятствует его прямой аккреции на объект. Вокруг объекта формируется вращающийся аккреционный диск. В тесных двойных звёздных системах такие диски возникают, когда один из компонентов в результате эволюции начинает расширяться. Размеры звёзд в таких системах ограничены критической полостью Роша, после заполнения которой начинается перетекание вещества с поверхности звезды в сторону второго компонента системы (рисунок). Из-за движения компонентов вокруг общего центра масс перетекающее вещество обладает моментом импульса относительно второго компонента, что приводит к формированию вокруг него аккреционного диска.

Вещество в диске вращается по почти круговым орбитам; при этом внутренние части вращаются быстрее наружных. Вязкость, обусловленная турбулентностью и магнитным полем, приводит к обмену моментом импульса между соседними участками диска: его внутренние части, отдавая свой момент более удалённым частям, приближаются к центральному объекту. Это медленное радиальное движение вещества называют дисковой аккрецией. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия частично переходит в теплоту и уносится излучением. Внутренние области аккреционных дисков вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд нагреваются до температуры в миллионы кельвинов, поэтому их излучение происходит в основном в рентгеновском диапазоне. Нередко за счёт выделяющейся в диске энергии формируются две газовые струи, движущиеся вдоль оси вращения диска в противоположных направлениях. Эти так называемые джеты (английкий jet - струя) сопровождают аккреции в различных масштабах: от протопланетных дисков вокруг формирующихся звёзд до гигантских дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр в квазарах.

Лит.: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звёзд. М., 1971; Шапиро С., Тьюколски С. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды: В 2 часть М., 1985.