Akrecja sferyczna na czarną dziurę

Materia międzygwiezdna odczuwa wpływ obecności zwartych obiektów przez ich silne pole grawitacyjne. Część materii opada zatem na ów obiekt. W przypadku gwiazdy neutronowej, materia zatrzymuje się na powierzchni, natomiast w przypadku czarnej dziury przekracza horyzont i wpada do środka. Ten proces jest zwany akrecją.

Ogólnie, akreująca materia oddziałuje ze sobą i z otoczeniem także przez oddziaływania elektromagnetyczne, więc akrecja jest skomplikowanym procesem, na który wpływa wiele czynników. Dokładna forma równania stanu materii (gazu) i fizyczny mechanizm odpowiedzialny za transport momentu pędu odgrywają kluczową rolę w poprawnym opisie tego ekstremalnego środowiska. Jest to wymagające zarówno z punktu widzenia teorii, gdyż konieczne jest branie pod uwagę złożonych zjawisk fizycznych, jak i od strony symulacji numerycznych.

Najprostsza sytuacja to sferycznie symetryczna akrecja gazu o zerowej lepkości, spoczywającego w nieskończoności. Ten problem został rozwiązany analitycznie przez Bondiego w roku 1952 i od tamtej pory jest zwany akrecją Bondiego. Później zaczęto używać również potencjałów pseudonewtonowskich (np. potencjału Paczyńskiego-Wiity), aby modelować efekty relatywistyczne spowodowane bliskością horyzontu. Ta prosta sytuacja jest jednym z przypadków testowych dla kodów hydrodynamicznych używanych do symulacji akrecji.

Poniżej, po lewej, pokazany jest 2-wymiarowy przekrój profilu gęstości. Po prawej wyniki symulacji hydrodynamicznej (krzyżyki to punkty danych) są porównane z rozwiązaniem analitycznym (ciągłe linie) w płaszczyźnie równika. Oś pozioma to odległość radialna od zwartego obiektu w jednostkach geometrycznych — promień Schwarzschilda r_S = 2M, gdzie M to masa zwartego obiektu. Pozycja punktu dźwiękowy (promień, w którym prędkość gazu jest równa lokalnej prędkości dźwięku) jest zaznaczona pionową, różową linią razem z prędkością i gęstością w punkcie dźwiękowym oraz linią y=1 (linie poziome). Liczba Macha U (ciemnopomarańczowe krzyżyki) jest zadana przez stosunek prędkości gazu do lokalnej prędkości dźwięku.

Bondi_Newton_web

Rozwiązanie numeryczne jest stacjonarne i bardzo dobrze zgodne z rozwiązaniem analitycznym.


by with no comments yet.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>