Спорадические выбросы из релятивистских объектов и их наблюдательные проявления

• Автор: Барков, Максим Владимирович
• Шифр специальности: 01.03.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Выброс вещества из плотного звездного скопления и хаотическое поведение самогравитирующих оболочек
1.1 Две оболочки окружающие СЧД
1.2 Численное решение
1.3 Гравитирующая оболочка с тангенциальным давлением в ОТО
1.4 Пересечение оболочек
1.5 О выбросе вещества из скопления
1.6 Численная реализация точного решения
1.7 Хаотическое поведение самогравитирующих оболочек
» 1.7.1 Ограниченная задача
1.7.2 Отображение последования Пуанкаре для ограниченной задачи.
1.7.3 Динамика оболочек в ограниченной задаче
1.7.4 Динамика движения и обратное отображение Пуанкаре для неограниченной задачи
1.8 Обсуждение природы хаотического движения в области между островами
2 Взаимодействие космологического гамма-всплеска с плотным молекулярным облаком
2.1 Основные уравнения
2.2 Основные физические процессы и условия
2.3 Физическая постановка задачи и качественная картина в приближении
прозрачного газа
2.3.1 Случай изотропного ГВ в однородном МО
2.3.2 Случай анизотропного ГВ на некотором удалении от неоднородного МО
2.4 Газодинамические эффекты, вызываемые космологическим ГВ
2.5 Спектр возникающего послесвечения
2.6 Заключение
* Заключение
Литература

Введение
Данная работа посвящена процессам, происходящим вблизи астрофизических релятивистских объектов. Исследуются возможные сценарии выброса вещества из их окрестностей и бурные явления, которые их сопровождают. В первой части этой работы рассмотрен баллистический выброс вещества из плотного звездного скопления, а также, исследована динамика движения звезд вблизи массивной черной дыры. Во второй части работы исследуется возникающая ударная волна в прогретом космологическим гамма всплеском молекулярном облаке. Исследуются различные варианты, приводящие к существенному ускорению скорости фронта ударной волны, а вместе с ним и выбрасываемого вещества. Вместе с тем исследуются кривые блеска и спектры возникающего при этом излучения.
Динамические процессы, происходящие в окрестности сверхмассивных черных ♦ дыр (СЧД) в квазарах, блазарах и в активных ядрах галактик, проявляются в виде
бурных явлений, приводящих к образованию джетов и других выбросов. Образование джетов принято ассоциировать с замагниченными аккреционными дисками [65, 4]. Формирование квазисферических выбросов, которые возможно наблюдаются в квазарах с широкими абсорбционными линиями, может быть связано с другим механизмом. Здесь рассматривается возможность выброса оболочки из СЧД окруженной массивным плотным звездным скоплением, основанную только на баллистическом взаимодействии гравитирующих оболочек, двигающихся вокруг СЧД.
Баллистический выброс может быть причиной присутствия обычных звезд и наблюдаемых сверхновых звезд в межгалактической среде [45, 26].
Одно из интересных приложений теории гравитирующих сферически-симметричных оболочек связано с возможностью моделировать некоторые свойства звездного скопления эволюцией таких оболочек, каждая из которых движется в поле, создаваемом всеми остальными и центральным телом [51, 52, 80, 93, 50, 82]. Пусть имеется установившееся движение большого количества гравитирующих частиц (звезд) вокруг покоящегося и невращающегося центрального тела. По причине большого количества частиц можно считать, что каждая из них движется в некотором усредненном стационарном сферически-симметричном поле, (которое внутри скопления не является шварцшильдовским, но переходит в таковое за границами скопления). Каждая ча-ф стица движется по траектории, являющейся обобщением эллиптических орбит нью-
тоновской механики, и у каждой частицы сохраняются полная энергия и полный угловой момент. Выделим внутри скопления в некоторый произвольный момент времени £о сферу произвольного радиуса г о и выделим на этой сфере те частицы, у которых одинаковые радиальные скорости и одно и то же значение абсолютной величины полного углового момента на единицу массы покоя, откуда следует также

равенство полных энергий на единицу массы покоя. Из первых интегралов геодезических в стационарном сферически-симметричном поле видно, что радиальное движение всех выделенных частиц происходит согласно одним и тем же уравнениям. Это означает, что все эти частицы в радиальном направлении движутся одинаково, т.е. все они образуют то, что и называется оболочкой. Если оболочка как целое движется только радиально, то частицы, ее образующие, движутся внутри оболочки еще и в тангенциальных направлениях. Когда число частиц велико, тангенциальные движения частиц можно рассматривать как хаотические с параметрами, распределенными однородно и изотропно на двумерной поверхности оболочки, и, следовательно, можно учесть эти движения гидродинамически как наличие тангенциального давления. В радиальном направлении поведение скопления моделируется движением дискретной совокупности бесконечно тонких оболочек, каждая из которых движется в вакууме. Радиальное движение учитывается точно путем решения уравнений гравитации. Разумеется, не все свойства скопления можно описать с помощью такой модели, но ряд аспектов его динамики хорошо моделируются.
Исследование шаровых звездных скоплений с помощью сферических оболочек было начато в [41, 51] и успешно применено к исследованию устойчивости [52], бурной релаксации и коллапсу [51, 50], приводя к образованию стационарного скопления. Исследование эволюции шарового звездного скопления с учетом различных физических процессов было произведено в рамках приближения оболочек в классической серии работ [82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89].
Численные расчеты коллапса звездного скопления в приближении гравитирующих оболочек [93, 6, 35] показало, что даже если первоначально все оболочки были гравитационно связанные, то после нескольких пересечений некоторые оболочки приобретают достаточную энергию, чтобы стать гравитационно не связанными и быть выброшенными на бесконечность. В работе [28, 29] также был описан этот эффект, но с некоторыми новыми деталями. В Ньютоновском приближении остаток формирует стационарное звездное скопление, а в ОТО в качестве остатка может сформироваться

Образование выброса за счет баллистического взаимодействия может произойти в результате пересечения оболочек, вращающихся в окрестности СЧД. Из однородного звездного скоплении с или без СЧД в центре звезды испаряются благодаря столкновениям друг с другом, в основном с малым кинетическими энергиями, и образование быстро вылетающих звезд в 100 раз менее вероятно вследствие того, что преобладают гравитационные столкновения с малым изменением импульса [2]. Если скопление компактно, состоит из нескольких плотных кусков, тогда столкновения становятся несколько иными и столкновения большим изменением импульса становится возможными. В этом случае взаимодействие между компактными частями скопления может привести к выбросам с большими скоростями, и если это событие произойдет в окрестности СЧД, то скорость выброса можт составлять значительную часть от скорости света с.
Подобная ситуация может произойти в результате столкновения галактик с тесным сближением ядер галактик, когда одно ядро сдирает вещество с компаньона в виде коллапсирущих оболочек. Взаимодействие таких оболочек со звездным скоплением может привести не только к коллапсу в СЧД, но и к обратному явлению:

Рис. 1.6: Движение двух гравитационно связанных оболочек с пересечениями, когда масса каждой оболочки составляет 1% от массы центрального тела, т = пг2 = 0.017Пт.
1.6 Численная реализация точного решения.
Рассмотрим теперь численное решение точных уравнений движения для случая двух оболочек с учетом пересечения их друг с друтом. Для расчета движения оболочек между пересечениями использовались уравнения (1.54)-(1.61) где т12, тти ть т2, Ь, свободные начальные параметры системы. Требуется также задать начальные радиусы оболочек, при этом момент времени начала счета можно принять равным нулю. Из системы (1.58)-(1.61) находим выражения для производных от собственных времен ту и 7*2 по % и, подставив их в уравнения (1.55)-(1.56), получаем уравнения движения оболочек во времени относительно наблюдателя находящегося на бесконечном удалении.
При пересечении происходит перераспределение энергии оболочек которое может быть учтено при помощи уравнения (1.103). После пересечения происходило переименование оболочек, что позволяет нам считать сколько угодно много пересечений, не заботясь в дальнейшем о номерах оболочек (оболочка "2" всегда внешняя).