Вопросы чайника. Что говорит о вращении ЧД? и т.п.

[Bulatos]

1) Откуда известно, что черная дыра вращается? Если магнитное поле аналогично Земному, оно ведь, магнитное поле, - не вращается?
2) Почему нагревается газ в аккреционном диске? Он разрежен и разреживается (охлаждается) еще больше при приближении к ЧД. Да еще и между "слоями" газа разность скоростей не должна быть настолько большой вроде...
3) Как (механизм) образуются джеты?
4) Если время при приближении к горизонту ЧД для стороннего наблюдателя замедляется вплоть до остановки - почему мы не видим ЧД "облепленными" видимой материей?
5) Почему рисуют "карту" реликтового излучения, словно с экрана? Ведь оно родилось раньше видимого света, излученного звездами? Разве реликтовое излучение не должно быть в виде "тумана" (многократно отраженные и как-то там переизлученные фотоны)?

[ktoto]

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

1) Откуда известно, что черная дыра вращается? Если магнитное поле аналогично Земному, оно ведь, магнитное поле, - не вращается?

Из вращения нейтронной звезды, ведь чёрная дыра это дальнейшее сжатие нейтронной звезды. Отсюда же и магнитное поле. Вращение не обязательно для наличия магнитного поля, но вращение усиливает его, если говорить о звезде.

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

3) Как (механизм) образуются джеты?

Механизм скорее всего неизвестен, но полярность явления может говорить о том что это связано с наличием сильного магнитного поля.

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

5) Почему рисуют "карту" реликтового излучения, словно с экрана? Ведь оно родилось раньше видимого света, излученного звездами? Разве реликтовое излучение не должно быть в виде "тумана" (многократно отраженные и как-то там переизлученные фотоны)?

Дело в том что пытались выявить неоднородность в картине реликтового излучения, неоднородность была найдена, почему картина такая, можно только гадать, например: быстрое расширение пространства, отсюда замороженная картина "как с экрана" .

[Pphantom]

Хороший набор вопросов, требующий для полного (насколько это возможно) ответа нескольких лет... А короткие (хотя и, как следствие, не слишком полные) ответы выглядят так:

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

1) Откуда известно, что черная дыра вращается? Если магнитное поле аналогично Земному, оно ведь, магнитное поле, - не вращается?

Вращается, но этот эффект в наблюдениях не поймать (пока), с большим трудом можно оценить только величину поля.

Проще обойтись без магнитного поля вообще. Если ЧД вращается, то ее горизонт событий перестает быть сферически-симметричным. В частности, минимальное расстояние от горизонта до центра ЧД оказывается меньше радиуса Шварцшильда для соответствующей массы, причем разность между радиусом Шварцшильда и минимальным расстоянием является функцией угловой скорости вращения.

Поэтому можно сделать следующее. Во-первых, определить массу ЧД. Это делается по движению других объектов около нее, и это позволяет получить радиус Шварцшильда. Во-вторых, найти минимальное расстояние от центра ЧД, на котором наблюдается какое-либо вещество. Конечно, это будет оценкой скорости вращения снизу, но это лучше, чем ничего.

-- 22.08.2014, 12:01 --

Продолжим...

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

2) Почему нагревается газ в аккреционном диске? Он разрежен и разреживается (охлаждается) еще больше при приближении к ЧД. Да еще и между "слоями" газа разность скоростей не должна быть настолько большой вроде...

При приближении к ЧД он все-таки уплотняется, но не в этом дело. Поскольку разность скоростей есть, есть и вязкость (причем турбулентная), и в итоге газ постепенно падает на ЧД. Детали этого процесса можно не рассматривать, ограничившись одной простой оценкой.

При движении по (почти) круговой орбите для некоторой массы газа выполняется теорема вириала $2 W+ \Phi =0$, поэтому полная механическая энергия той же массы $E = W+\Phi = \Phi/2$. Раз газ постепенно падает вниз, то это означает, что его потенциальная энергия уменьшается, так что и полная механическая энергия также должна уменьшаться. Закон сохранения энергии еще никто не отменял (даже в окрестности ЧД ), так что энергия должна куда-то деться. Возможных вариантов только два - нагрев газа и излучение (практически второй является следствием первого). В периферийных частях диска газ в основном прозрачен для собственного излучения, а вот ближе к центру это не так, непрозрачный газ в такой ситуации попросту вынужден нагреваться.

Энергия, которая на это тратится, крайне велика. Конечно, так делать не совсем честно, но можно получить тупую "классическую" оценку энергии, которая должна выделяться при падении массы $m$ на черную дыру массы $M$. Изменение потенциальной энергии при этом $\Delta \Phi = GMm/R$ (падает вещество фактически с бесконечности, потенциальной энергией на старте можно просто пренебречь), а расстояние $R$, до которого оно добирается - радиус Шварцшильда $R= 2GM/c^2$. Отсюда получаем $\Delta \Phi = mc^2/2$, и общий вывод - выделяющаяся в виде нагрева/излучения энергия всего в несколько раз меньше энергии покоя падающего вещества.

Отсюда и такие температуры. Этот механизм выделения энергии эффективнее термоядерного синтеза, он проигрывает только аннигиляции.

-- 22.08.2014, 12:07 --

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

3) Как (механизм) образуются джеты?

Тут ответ дать проще всего: никакого определенного ответа нет. Есть достаточно много вариантов моделей, но они все обладают определенными недостатками, и какую-то наиболее популярную и общепринятую модель просто не выделить.

-- 22.08.2014, 12:12 --

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

4) Если время при приближении к горизонту ЧД для стороннего наблюдателя замедляется вплоть до остановки - почему мы не видим ЧД "облепленными" видимой материей?

Потому что тот же самый эффект проявляется еще и как гравитационное красное смещение - излучение этой материи смещено в красную часть спектра, а непосредственно на горизонте красное смещение становится бесконечно большим (собственно, на то он и горизонт). В итоге "видеть" пришлось бы на каких-нибудь многокилометровых радиоволнах, совершенно недоступных для наблюдений (это еще если не вспоминать, что красное смещение означает и уменьшение потока излучения, что тоже удобств для наблюдателей не добавляет).

-- 22.08.2014, 12:18 --

Bulatos в сообщении #898267 писал(а):

5) Почему рисуют "карту" реликтового излучения, словно с экрана? Ведь оно родилось раньше видимого света, излученного звездами? Разве реликтовое излучение не должно быть в виде "тумана" (многократно отраженные и как-то там переизлученные фотоны)?

Именно потому, что последнее предположение в скобках неверно. В подавляющем большинстве реликтовые фотоны добрались до приемников без рассеяний по дороге. Исключения, конечно, есть, именно они создают т.н. "вторичную анизотропию", но доля фотонов, с которыми что-то произошло по дороге, не превышает $10^{-5}$ от общего числа.

-- 22.08.2014, 12:23 --

(Оффтоп)

P.S. Кстати, раздел форума для всего этого, пожалуй, выбран неверно. Это классический "помогите решить/разобраться", разве что тема вопроса чуть более экзотична для физики (но не для астрономии, для которой отдельного раздела, увы, нет).

[Munin]

Pphantom в сообщении #898317 писал(а):

Поэтому можно сделать следующее. Во-первых, определить массу ЧД. Это делается по движению других объектов около нее, и это позволяет получить радиус Шварцшильда. Во-вторых, найти минимальное расстояние от центра ЧД, на котором наблюдается какое-либо вещество. Конечно, это будет оценкой скорости вращения снизу, но это лучше, чем ничего. :D

Все существующие оценки пока дают минимальное расстояние, на котором наблюдается вещество, в разы (и на порядки) больше радиуса Шварцшильда. Странно слышать такое предложение от вас :-)

[Pphantom]

Munin в сообщении #898384 писал(а):

Все существующие оценки пока дают минимальное расстояние, на котором наблюдается вещество, в разы (и на порядки) больше радиуса Шварцшильда. Странно слышать такое предложение от вас

Я же предупреждал, что ответы будут неполными. Это в любом случае не прямое обнаружение вещества, а модельно-зависимое определение по спектральным данным в рентгене. Но обнаруживаемые спектральные детали свидетельствуют об некотором распределении плотности вещества в диске за пределами радиуса Шварцшильда, которое может получиться, если внутри радиуса Шварцшильда тоже что-то есть... короче говоря, изложение всех промежуточных деталей будет очень длинным и явно ненужным.

И, кстати, не на порядки. Насколько вообще (см.выше) можно говорить о наблюдении вещества во внутренних областях аккреционного диска, отдельный вопрос, но если считать, что можно, то текущий рекорд, кажется, 2-3 радиуса Шварцшильда. Больше единицы, но уже не слишком.

[Munin]

Ну, рекорд - разы. А более частая ситуация - на порядки. Насколько я понимаю, для ЧД звёздных масс опуститься до разов ещё не получилось.

[Pphantom]

Munin в сообщении #898430 писал(а):

Насколько я понимаю, для ЧД звёздных масс опуститься до разов ещё не получилось.

Это верно, со сверхмассивными черными дырами проще.

[Bulatos]

1) С вращением ЧД я понял.
2) Нагрев и излучение газа в аккреционном диске. В ответе просто: потенцальная энергия превращается в излучение... Но для чайника чтобы атом излучил, надо его "возбудить". Вероятно, столкновением в нашем случае. Так вот, если поток газа разгонять, при этом еще и "растягивая", в нем не станет больше столкновений молекул и энергия столкновений тоже не увеличится, а совсем даже наоборот... Разве что столкнутся молекулы из разных "слоев" диска. Но даже и между ними (соседними) большая ли разница в скоростях?
Или все-таки газ уплотняется при подходе к ЧД? Тогда почему? Ведь космонавт вытянется в спагетти, как пишут.
3) Насчет джетов. Если работают только гравитация и магнитное поле - разве трудно создать матмодель и посмотреть результат?

[Konstantin!]

2) Гравитация притягивает в-во к ч.д., но ее-же маг.поле это падающее вещество и не пускает далее. Идет сжатие вещества, его разогрев и свечение.
Прибывающее из внешних областей аккр.диска вещество, стекает по магнитным силовым линиям, уже заполненным аккрецируемым светящимся веществом, попавшим туда ранее, стекает значит, и дотекает аккурат до магнитных дыр, находящихся на полюсах ч.д. Там уже нет сильнейшего маг.поля, и гравитация радостно и жадно тянет вещ-во, попутно разогревая его, как я понимаю, от осевого сжатия. Так появляются джеты.

(Оффтоп)

Прошу не транклюкировать за терминологию, нуб говорит как умеет.

-- 25.08.2014, 07:53 --

Получается, пульсары не могут иметь а.дисков?

[Konstantin!]

Konstantin! в сообщении #899578 писал(а):

Получается, пульсары не могут иметь а.дисков?

Извиняюсь, прочитал про рентгеновские пульсары, вопрос снимаю.

[Bulatos]

Еще вопрос про магнитное поле. Как-то могу понять механизм образования маг.поля Земли. Но поле ЧД? Она должна иметь эл. заряд для этого? И даже заряженная вращающаяся (но точка! Поэтому мне не совсем ясно - "точка вращается") может ли иметь магнитное поле? И плоскость аккреционного диска разве не будет под случайным углом к оси вращения ЧД? И материал аккреционного диска разве обязательно ионизован изначально? А как же незаряженные частицы в космосе?

[Pphantom]

Bulatos в сообщении #899576 писал(а):

Но для чайника чтобы атом излучил, надо его "возбудить". Вероятно, столкновением в нашем случае.

Да, совершенно верно.

Bulatos в сообщении #899576 писал(а):

Так вот, если поток газа разгонять, при этом еще и "растягивая", в нем не станет больше столкновений молекул и энергия столкновений тоже не увеличится, а совсем даже наоборот...

А вот это неверно. Подозреваю, что Вы подсознательно считаете диск плоским, а на самом деле толщина диска быстро увеличивается с увеличением расстояния от аккретора. В итоге плотность вещества диска, наоборот, растет по мере приближения к аккретору.

Bulatos в сообщении #899576 писал(а):

Тогда почему? Ведь космонавт вытянется в спагетти, как пишут.

Космонавта разорвет приливными силами (и в итоге, кстати, он тоже превратится в диск вокруг ЧД). Какой-то выделенный объем внутри диска тоже растянет, но ни к чему интересному с точки зрения диска в целом это не приведет - он же не твердый.

Bulatos в сообщении #899576 писал(а):

3) Насчет джетов. Если работают только гравитация и магнитное поле - разве трудно создать матмодель и посмотреть результат?

Во-первых, действительно трудно. Это существенно трехмерная релятивистская магнитная газодинамика (причем на самом деле есть еще и излучение, так что к списку нужно приписать слово "радиационная"), аналитическое моделирование тут практически невозможно, а численное оказывается чрезвычайно сложным и ресурсоемким.

Во-вторых, имеющиеся результаты оказываются не слишком хорошими. Если интересно, можно посмотреть вот тут - это, конечно, не обзор, но общее представление о ситуации эта работа дает (правда, следует учитывать, что авторы чрезмерно оптимистичны при оценке собственных результатов ).

Bulatos в сообщении #899594 писал(а):

Как-то могу понять механизм образования маг.поля Земли.

Было бы неплохо, если бы геофизики и специалисты по физике планет могли бы сказать то же самое.

Bulatos в сообщении #899594 писал(а):

Но поле ЧД? Она должна иметь эл. заряд для этого?

Да. ЧД не точка, так что...

Bulatos в сообщении #899594 писал(а):

И плоскость аккреционного диска разве не будет под случайным углом к оси вращения ЧД?

Некоторый небольшой угол может быть, но не более. Это просто следствие закона сохранения момента импульса: когда образовывалась двойная система, в которой затем возникла ЧД, все ее компоненты должны были "унаследовать" общее направление вращения, которое затем унаследует и ЧД. А плоскость диска - это орбитальная плоскость системы.

Bulatos в сообщении #899594 писал(а):

И материал аккреционного диска разве обязательно ионизован изначально? А как же незаряженные частицы в космосе?

Тогда это будет не дисковая, а сферическая аккреция, просто причин для формирования диска не будет. Если же есть диск, то есть и второй компонент-донор, и, следовательно, аккрецируемое вещество - это верхние слои какой-то звезды, т.е. их начальная температура по крайней мере $\sim (2 \div 3) \cdot 10^3$ К.

[Someone]

Pphantom в сообщении #899667 писал(а):

А вот это неверно. Подозреваю, что Вы подсознательно считаете диск плоским, а на самом деле толщина диска быстро увеличивается с увеличением расстояния от аккретора. В итоге плотность вещества диска, наоборот, растет по мере приближения к аккретору.

Добавлю ещё, что приливные силы устроены так: они растягивают тело в одном направлении и сжимают в двух перпендикулярных. В итоге оказывается, что объём тела стремится уменьшиться, а не увеличиться. А когда речь идёт о газе, он будет сжиматься и нагреваться. Даже если он не был ионизированным, то достаточно близко от чёрной дыры нагреется настолько, что ионизируется.

[DimaM]

Pphantom
А что говорят наблюдения про наличие магнитного поля у ЧД?
Насколько я помню, при коллапсе магнитный момент не обязан сохраняться.

[Pphantom]

DimaM в сообщении #899719 писал(а):

А что говорят наблюдения про наличие магнитного поля у ЧД?

Года три назад были получены первые более-менее прямые подтверждения (кажется, для Cyg X-1, если не ошибаюсь).