Наблюдения и моделирование экстремальных астрофизических процессов

Деформация пропорциональна массовому соотношению бинарного в реальной задаче. Диссипативная динамика получена из соответствующих повторений постньютоновских формул для гравитационных волн. Эта модель опирается на ряд обыкновенных дифференциальных уравнений, которые быстро решаются по сравнению с полноценной общей релятивистской теорией, и ее можно естественным образом настроить для численного моделирования относительности, чтобы улучшить свои предсказания.(См. Рисунок 14)   Рисунок 14 – Сравнение модели эффективного единого тела с числовой формой относительности прецессирующего двойного элемента черной дыры.Модель была подтверждена сотнями сравнений с числовой относительностью, касающейся как консервативной динамики, так и излучения. Основным моментом является создание высокоточной модели для двоичных файлов с черными дырами с общими спинами, которые могут в целом подвергаться прецессии. Это явление ответственно за чрезвычайно сложные сигналы гравитационной волны, но большое усложнение уравновешивается богатством информации об источнике, который кодирует форма волны. Благодаря выдающейся роли, которую мы играем в сотрудничестве LIGO, разработанные нами модели являются основным инструментом для анализа данных LIGO. В частности, непроцессорная двоичная модель с черными дырами, разработанная сотрудниками нашего Отдела, использовалась конвейерами обнаружения на основе шаблонов, которые оценивали значимость первых наблюдений гравитационных волн во время первого прогона наблюдений Advanced LIGO. Кроме того, наши модели (как спин-выровненные, так и спин-прецессинг) были использованы для оценки параметров недавних событий. Наши модели будут активно использоваться конвейерами обнаружения и оценки параметров бинарной коалесценции LIGO во время следующих наблюдательных прогонов Advanced LIGO и Virgo. Пример полученной модели продемонстрирован на рисунке 15.    Рисунок 15 – Траектория точечной массы, погружающейся в вращающуюся черную дыру Керра.В сотрудничестве с исследователями из других учреждений, мы также активно используем теорию возмущений черных дыр, чтобы исследовать слияние двойных чёрных дыр с экстремальными соотношениями масс, то есть когда одна из двух черных дыр значительно массивнее, чем спутник. Основная цель этого направления исследований - извлечение информации о сильном поле о погружении частиц в вращающиеся черные дыры. Такая информация может быть свернута в эффективные модели одного тела для двоичных файлов черной дыры сравнимой массы, чтобы обеспечить их правильный предел отношения экстремальных масс. Полностью релятивистские явления (такие как квазинормальное смешивание мод) можно легко исследовать для большого числа конфигураций путем численного решения уравнений возмущения.Когда один из двух компактных объектов в двойном образце является нейтронной звездой, благодаря присутствию в источнике очень плотной материи открывается целый ряд возможных физических процессов. Это приводит к богатой феноменологии форм волны, которые позволяют нам исследовать свойства вещества нейтронной звезды. Члены научного подразделения расширили двойные модели черной дыры на случаи, включающие нейтронные звезды. Приливные и резонансные эффекты нейтронных звезд изучаются и сравниваются с тем, что можно увидеть при численном моделировании относительности.2.2 Эффект ХокингаПроцессы, происходящие вблизи релятивистских астрофизических объектов, имеют фундаментальное значение для астрофизики и являются основными для нашего понимания вселенной. Это касается аккреции и образования струи, включая влияние упорядоченного магнитного поля, а также квантовых эффектов вблизи черных дыр, в частности эффекта Хокинга.Недавние наблюдения с помощью космического телескопа Хаббла, наземных телескопов и космических рентгеновских наблюдений показывают аккреционные диски и джеты вокруг многих объектов, начиная от молодых, недавно образованных звезд и заканчивая активными ядрами галактик и квазарами, которые, как считается, содержат массивные черные дыры.Считается, что магнитные поля играют решающую роль в процессах образования, распространения и излучения струй. Джеты тесно связаны с аккреционными дисками, и магнитоцентробежные истечения являются широко обсуждаемым объяснением их происхождения.Сверхсильные магнитные поля в 1012 Гс вблизи поверхности нейтронных звезд вызывают основополагающие проблемы со структурой вещества и оптическими спектрами. Специфика атомов и ионов излучения и ионизации в условиях также становятся предметом интереса.Особый интерес представляют анализ характеристик твердой коры нейтронной звезды, а также изучение процессов восстановления структуры и спектра, а также процессов излучения атомов и ионов в сверхсильных скрещенных электрическом и магнитном полях вблизи вращающейся нейтронной звезды.Для астрофизики использование эффекта Хокинга является основным квантовым процессом вблизи черных дыр. Эффект Хокинга означает квантовое испарение, особенно значимое для маленьких черных дыр.Поэтому важно систематически применять МГД-теорию, квантовую теорию и моделирование поля для исследования этих объектов и явлений, которые они демонстрируют.Одной из центральных проблем моделирования в целом является аккреция намагниченной звезды. Многие типы звезд, такие как белый карлик, нейтронная звезда, прото-звезды, имеют большие магнитные поля. Эта проблема очень важна для звездной астрофизики, поскольку наблюдаемая светимость и изменчивость звезды определяются взаимодействием вещества с магнитным полем звезды. Это взаимодействие довольно сложное и требует подробного 2D и 3D численного моделирования. В разных астрофизических системах аккрециявозможна либо в аккреционном диске, либо от звездного ветра, исходящего от звезды-компаньона или межзвездного пространства в случае одиночных звезд.Несмотря на свою важность, аккреция к вращающимся намагниченным звездам систематически еще не исследована. Было проведено всего несколько двумерных численных расчетов аккреции диска. Модель вращающегося диполя была создана и исследована. Проведено двумерное МГД-моделирование квазисферическойаккрецииБонди-типа на звезду с дипольным магнитным полем. Полученные результаты во многом отличаются от того, что было предсказано ранее упрощенными теоретическими моделями.Этот пример привел к заключению, что эта важная проблема должна быть тщательно исследована в 2D и 3D моделированиях. В будущем учеными планируется выполнить различные 2D и 3D моделирования аккреции к вращающейся звезде с дипольным магнитным полем при разных геометриях потока и разных скоростях вращения намагниченной звезды, включая режим "пропеллера", когда большая часть вещества может быть вытеснена вращающейся звездой ,Процессы магнитовращения также играют решающую роль в формировании выбросов из различных астрофизических объектов: от молодых звезд до взрыва сверхновой. В рамках проекта планируется численно моделировать детальное формирование выбросов от молодых звезд и сверхновых на основе механизма магнитного вращения. Механизм взрыва сверхновой будет исследован в результате развития крупномасштабных неустойчивостей и нейтринного излучения протонейтронной звезды.Планируется изучить процессы возбуждения, ионизации и излучения атомов и ионов в сверхсильных магнитных полях. Предполагается, что это исследование станет основой для детального анализа возможностей использования процессов при независимом измерении величины магнитного поля вблизи астрофизических объектов (нейтронных звезд и белых карликов).Эффект Хокинга играет важную роль в различных сценариях создания и развития Вселенной. Тем не менее, некоторые трудности в оригинальном выводе Хокинга и других подходах к проблеме обсуждаются в литературе до сих пор. В частности, в рамках современных подходов эффект Хокинга формируется на бесконечных частотах. Это физически связано с тем, что частица, наблюдаемая далеким наблюдателем, должна иметь бесконечную энергию в момент рождения вблизи гравитационного радиуса коллапсирующей звезды. Квазиклассические траектории, подходящие для рождения частиц, найти не удалось (Белинский, 1993). Вероятно, эти и подобные проблемы связаны с непонятной математической сложностью задачи. Таким образом, исследование эффекта Хокинга для моделей пространства-времени с черной дырой, которые имеют точное решение для квантовой.[12]2.3Чёрная дыраЧерная дыра - тело массы M, для которого не существует гидростатически равновесных конфигураций с размером больше гравитационного радиусаRGRG = 2GM / c2(3)Черные дыры с массой свыше примерно 3MS (где MS - масса Солнца) - теоретический предел массы холодного тела, при превышении которого коллапс (сжатие) в черную дыру неизбежен, - представляют собой конечные стадии эволюции наиболее массивных звезд. Менее массивные, так называемые "первичные" черные дыры могут возникать на первых стадиях космологического расширения. Наконец, сверхмассивные черные дыры (с массами в миллиарды солнечных) могут формироваться в центрах галактик в результате слияния звезд при их столкновениях в галактических ядрах. Черные дыры можно обнаружить либо кинематически, по движению небесных тел в их гравитационном поле, либо по их излучению.Возможность существования сверхмассивных черных дыр в центрах галактик можно проверить, изучая движение вокруг них звезд и межзвездного вещества. Например, для галактики M87 подобные исследования дают оценку центральной массы (108 - 109)Ms . Такая гигантская масса сосредоточена в малой области в центре этой галактики, что возможно лишь при наличии там черной дыры. Подобные выводы следуют и из наблюдения вращающегося тора из газа и пыли вокруг центра галактики NGC4258. Вещество в торе движется по круговой траектории радиусом около 0,3 световых года со скоростью 1000 км/с, что дает оценку плотности вещества вблизи центра этой галактики 4 109Ms/ пк3. Объект с такой плотностью не может быть звездным скоплением: столкновения звезд с характерным временем 100 млн. лет должны привести к возникновению сверхмассивной черной дыры.Проблема поиска реально существующих черных дыр звездной массы сводится прежде всего к отысканию компактных объектов в двойных системах с массой > 3Ms . Пусть в состав двойной системы входят обычная звезда массы M* и компонент неизвестной природы массы Mx . Орбитальное движение обычной звезды приводит к периодическому доплеровскому смещению линий в ее спектре с периодом, равным орбитальному Torb , и амплитудой, пропорциональной ,(4)где - радиус орбиты обычной звезды,i - угол между плоскостью орбиты и лучом зрения. Если величины Torb и известны из наблюдений, то можно вычислить так называемую функцию масс системы[2]:(5)Так как , то для маломассивных двойных систем с функция масс дает нижний предел массы компактного объекта: . В настоящее время известны несколько маломассивных двойных систем с компактными объектами - кандидатами в черные дыры: Лебедь Х-1 ( f > 6 - 15MS ), V404 Лебедя ( f > 8MS ), А0620-00 ( f > 4MS ), рентгеновская новая в созвездии Мухи ( f > 4MS ).Все указанные двойные системы с кандидатами в черные дыры являются мощными источниками рентгеновского и гамма-излучения с нетепловым (степенным) спектром, в котором иногда даже наблюдается аннигиляционная линия. Собственное излучение дыры имеет равновесный спектр и обусловлено квантовым эффектом ее "испарения". Мы не рассматриваем этот эффект в данной статье и отсылаем читателя к книгам [14],[15]. Для черных дыр звездной массы и более массивных температура собственного излучения весьма мала. Излучение в их ближайшей окрестности генерируется в основном за счет акреции (захвата) вещества из межзвездной среды или со звезды-компаньона в двойной системе. Как показывают расчеты, эффективность энерговыделения при акреции на черную дыру может доходить до 0,3 энергии покоя аккрецируемого вещества [13-14].ЗаключениеСовременная астрофизика сформировалась после второй мировой войны. С точки зрения наблюдений, ее основная черта - расширение спектрального диапазона исследуемого излучения. Довоенная астрофизика использовала лишь результаты астрономических наблюдений в видимом свете - сравнительно узкой полосе спектра электромагнитных волн. Ясно, что при этом в центре внимания оказывались прежде всего те объекты во Вселенной, которые излучают в основном видимый свет - звезды, туманности, галактики. Теория их излучения была построена на основании знаний, полученных в земных лабораториях. В настоящее время в астрономии используются практически все диапазоны, от радиоволн до гамма-излучения. Превращение астрономии во всеволновую обогатило знания об известных объектах и, что гораздо важнее, привело к открытию новых объектов, позволило зарегистрировать излучение из таких областей, где материя (то есть вещество и излучение) находятся в так называемых экстремальных (предельных) условиях. Этот термин обычно используется, чтобы подчеркнуть, что те или иные условия практически невозможно реализовать в лабораториях на Земле. В этих условиях материя нередко приобретает новые физические свойства. В качестве примеров экстремальных астрофизических условий можно указать высокие плотности вещества, реализующиеся на первых этапах развития Вселенной, в недрах нейтронных звезд и в ближайших окрестностях черных дыр; сильные гравитационные поля в окрестностях черных дыр; сильные магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд. Именно в области исследования объектов, в которых реализуются те или иные экстремальные условия, по нашему мнению, сосредоточены основные проблемы современной астрофизики.В данной курсовой работе были рассмотрены экстремальные астрофизические процессы. В первой главе были рассмотрены методы наблюдения за этими процессами. Приведены сами примеры этих процессов и дано краткое объяснения, что они из себя представляют, и какие проблемы с этим наблюдением существуют в настоящее время.Вторая глава посвящена моделированию экстремальных астрофизических процессов. Было рассмотрено возможное моделирование этих процессов и какие результаты получают в ходе этого моделирования. Был рассмотрен вопрос об эффекте Хокинга, а именно о его реализации и проблемах. И в качестве примера в конце было представлено небольшое описание модели аккреции черной дыры.В результате проведенной работы было выяснено, что одной из основных проблем современной астрофизики является моделирование астрофизических явлений, так как зачастую невозможно воссоздать те или иные действия, которые должны привести к определённому результату. Существует множество различных методов моделирования и в каждом методе присутствуют свои плюсы и минусы. Конкретно определить какой метод является лучшим на данный момент пока что невозможно.Список использованных источниковBlack Hole accretion.URL:https://elementy.ru/problems/1673/Kriticheskaya_akkretsiyaДата обращения: 15.03.2020Black Hole accretion.URL: www.astronet.ru/db/msg/1172354?text_comp=gloss_graph.msnДата обращения: 14.03.2020Supermassive black hole.URL:https://asteropa.ru/sverxmassivnaya-chernaya-dyra/Дата обращения: 13.03.2020Cosmic rays.URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e083.htmДата обращения: 15.03.2020Pulsars.URL: https://v-kosmose.com/pulsaryi/Дата обращения: 16.03.2020Neutron star.URL:https://cosmosplanet.ru/zvyozdy/nejtronnaya-zvezda.htmlДата обращения: 12.03.2020Starryblackhole. URL:https://yandex.ru/turbo?text=http%3A%2F%2Fmir-znaniy.com%2Fvse-o-chernyih-dyirah%2FДата обращения: 15.03.2020Gamma-surge.URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1191481Дата обращения: 14.03.2020Astrophysics process.URL:https://www.cfa.harvard.edu/category/research-topics/extreme-astrophysicsДата обращения: 13.03.2020Observation methods.URL:http://www.ph.surrey.ac.uk/astrophysics/files/observational_techniques.htmlДата обращения: 15.03.2020Быков, А.М. Астрофизические объекты с экстремальнымэнерговыделением: наблюдение и теория /А.М.Быков /Успехи физических наук. Т.188, №8, 2018.Project on Hawking effect.URL:http://www.istc.int/ru/project/A96ECB71B504A040C3256E4A004115B2.Дата обращения:16.03.2020 Железняков, В.В. Проблемы современной астрофизики /В.В.Железняков / НГУ Н.И.Лобачевского.Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. М.: Мир, 1985. Т. 1, 2. [2]Хокинг С. Краткая история времени: От Большого Взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.[4]