Релятивистская динамика вещества в окрестности черных дыр и в ранней Вселенной Белобородов, Андрей Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящей диссертации решается несколько астрофизических задач, в которых существенную роль играют релятивистские эффекты, требующие последовательного расчета в рамках общей теории относительности (ОТО) или физики высоких энергий. Релятивистская физика представляет собой фундамент современной теории материи и играет огромную роль в современной астрофизике, так как вещество во Вселенной бурно эволюционирует и для понимания его динамики, часто даже в грубом приближении, недостаточно классической физики. С другой стороны, астрономические наблюдения стаяовятся важным тестом понимания фундаментальных законов природы. Естественно выделяются две области приложения релятивистской теории в астрономии: динамика компактных переменных источников излучения (таких как квазары, пульсары, гамма-всплески) и динамика Вселенной в целом, особенно на ранних этапах. Первые три главы диссертации относятся к физике компактных источников, тема четвертой главы - многомерная фаза эволюции ранней Вселенной.

Цель задач, поставленных в первых трех главах диссертации, -исследование чисто релятивистских эффектов, которые могут быть наблюдаемы в масштабах много больших, чем масштаб компактного объекта. В центре исследования находится взаимодействие компактного источника, создающего мощное излучение и сильное гравитационное поле, с окружающим веществом.

Интересы многих наблюдателей во всем мире сосредоточены сейчас на динамике газа и звезд в активных ядрах. Таким образом можно получить косвенные данные о природе центрального объекта. Все накопленные данные лучше всего объясняются гипотезой,

согпасно которой в центре активных ядер находятся массивные черные дыры, и мощное энерговыделенис связано с аккрецией газа на черную дыру. Массивная черная дыра fl активном ядре галактики постепенно разрушает окружающее звездное скопление (размер которого на 5-6 порядков больше размера черной дыры) и заполняет объем скопления газом разрушенных звезд. Этот эффект подробно исследуется в первой главе диссертации. Важно подчеркнуть, что темп производства газа в скоплении критически зависит от углового момента центральной черной дыры, что является чисто релятивистским эффектом и требует расчета в рамках ОТО.

Ті. з, аккрецирующий на релятивистский источник, также подвержен сильному влиянию со стороны этого источника. Одним из важнейших факторов, определяющих картину аккреции, является комптоновский нагрев газа центральным излучением. Когда нетепловой спектр продолжается в -у-диапазон, основной вклад в нагрев вносят релятивистские фотоны с энергией порядка энергии покоя электрона (поток такого излучения был зарегистрирован от активных ядер и галактических источников). Поэтому представляется важным определить параметры плазмы, падающей в поле жесткого излучения: стационарную температуру и уравнение состояния. Эта задача решается во второй главе диссертации.

Плазменные эффекты играют важную роль в различных астрофизических задачах. Б диссертации иссэддуется один из таких эффектов: неустойчивость ленгмюровских волн в поле направленного -у-излучения. Эффект интересен для физики плазмы, так как несмотря на то, что неустойчивость с самого начала развивается в кинетическом режиме, ге инкремент может быть точно найден аналитически. Эта задача решена в третьей главе. Результаты могут быть проверены в лабораторных условиях.

Нетвертая глава посвящена многомерной космологии. Дальнейший прогресс в понимании динамики ранней Вселенной связывается с достижениями фундаментальной физики, так как обе науки сконцентрированы на поведении вещества при высоких энергиях. В результате, в поле зрения космологии оказались такие "экзотические'' объекты, как многомерное пространство-время, которое стало уже привычным в современной теории поля. В настоящую эпоху эволюции Вселенной размер дополнительного пространства не может превосходить 10~^1в см (масштаб электрослабых взаимодействий), в то время как размер физического пространства не меньше масштаба горизонта ~ Ю²⁸ см. Отсюда ясно, что, в отличие от стандартной космологической модели, многомерная модель должна быть анизотропна, поэтому представляет интерес исследование анизотропных решений многомерных уравнений Эйнштейна. Особенно важно знать, как в многомерной модели мож^т возникнуть компактифпка-цня дополнительных и инфляция физических измерений. Для этих целей удобен анализ структуры решений с глобальной точки зрения. В четвертой главе диссертации детально исследована глобальная структура решений в наиболее простой модели, когда пространственная часть метрики эвклидова, а материя подчиняется постоянному (но анизотропному) уравнению состояния.

Научная новизна работы

1. Впервые построено релятивистское сечение приливного разрушения звезд массивной вращающейся черной дырой.

2. Впервые найдена зависимость темпа приливного разрушения окружающего звездного скопления от углового момента черной дыры.

3. Впервые рассчитан стационарный спектр комптоновекпх над-тепловых электронов в плазме, аккрецирующей на источник у-

-«-

излучения.

4. Впервые вычислен нагрев плазмы жестким излучением с учетом торможения комптоновсхих электронов мягкой компонентой излучения, и найдена стационарная температура плазмы с учетом этого эффекта.

5. Впервые исследована генерация денгмюровской турбулентности в плазме под действием направленного жесткого излучения и аналитически найдс-и юпергоасвт этой неустойчивости.

6. Впервые построена полка* классификация анизотропных многомерных плоских космологических моделей с гидродинамическим уравнением состояния материи а найдены сингулярности этой модели. Найдены допустимые уравнения состояния материи, при которых возможна инфляция физических « «яшаактйфи&а-ция дополнительных измерений.

Научная и практическая ценность работы

В работе исследуются несколько новых рслятшшст<ких эффек-tod, которые должны иметь место о удаленных окрестностях компактного объекта. Получены также результаты, которые Могут оказаться важными при построении многомерного сценария эволюции ранней Вселенной.

Апробация работы я публикации

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на семинарах АКЦ ФИАН, НИИЯФ МГУ, ИКИ, в Кембриджском и Лондонском университетах, седьмой международной конференции памяти Марселя Гроссмана (MG7,1994, Стэяфордский университет). По теме диссертации опубликовано 5 работ, две работы послано в печать (список работ приводится в конце автореферата).

Личаьій вклад одсворск

Автор провел численный расчет релятивистских сеченпй приливного раврущения и внес основной вклад в соответствующую часть работ [1,2)1 имел готовую постановку оадачп, автор провел расчеты работы [3) и самостоятельно исследовал роль плазменных эффектов при нагреве плазмы жестким излучением. Работа [4] выполнена автором самостоятельно. Автор внес основной вклад в математическую постановку задачи главы III (работа [7)) и получил основные результаты этой работы. Автор самостоятельно получил основную часть результатов главы IV п работы [5).

На оащнту выносятся следующие результаты

1. С учетом эффектов ОТО численно построены сечения приливного разрушения звезд массивной вращающейся черной дырой.

2. Численно найден темп приливного разрушения окружающего черную дыру скопления в случае незаполненного конуса потерь. Получен качественный эффект ОТО: темп приливного разрушения Л/| скопления массивной черной дырой (с массой > М„ц ~ 3 10⁸iW_o) определяется угловым моментом дыры: M_t — 0, если дыра не вращается и достигает максимума в случае экстремально раскрученной черной дыры.

3. Найден комптоновский нагрев плазмы в окрестности источника мощпого 7-иолучения. При этом учтены релятивистские поправки к сечению рассеяния и получено аналитическое выражение (в первом порядке по кТс/т_ес?) для скорости нагрева фотонами с произвольной энергией.

4. Вычислен темп нагрева плазмы гамма излучением в присутствии мягкой компоненты излучения. Учтено, что 7-лучи пере-

дают свою энергию быстрым комптовояскям электронам, которые греют плазму через хулоновские столкновения и теряют энергию при обратном комптоновском рассеянии мягкого излучения. Найдена стационарная температура плазмы; в иоде жесткого получения.

5. Вычислена стационарная плотность энергии комптоновских над-тепловых электронов в плазме, аккрецирующей па 7-источник. Выяснено, что вдали от источника релятивистские электроны вносят основной вклад в плотность энергии плшшы (больше, чем тепловые элстроны).

6. Аналитически получен инкремейт неустойчивости ироизноль-ной ленгмюровской волны в нерелятивистской нсзамагниченной плазме, облучаемой яаправяеииым гамма излучением.

7. Построена классификация анизотропных плоских многомерных космологических моделей с гидродинамическим уравнением состояния, различающая решения по Их глобальной с груктуре,

8. Найдены допустимые уравнения состояния многомерной модели, при которых возможна компактификацня дополнительных и инфляция физических измерепий.

Структура диссертации

Диссертация состоит на пведения, четырех глав, заключения, трех приложении и списка цитированной литературы. Работа содержит 127 страниц, 19 рисунков, список литературы включает 166 наименований.