Ученые создали новую модель аккреции с учетом самогравитации газа

Глобальные решения TPBVP для ~β=0,65 и γ=4/3. Автор: The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adec71

Исследовательская группа под руководством профессора Цзяо Чэнляна из Обсерваторий Юньнань Китайской академии наук разработала самосогласованную модель, которая устраняет давние теоретические пробелы в изучении сферической аккреции с самогравитацией. Исследование было недавно опубликовано в The Astrophysical Journal.

Аккреция — фундаментальный астрофизический процесс, при котором вещество падает на центральный небесный объект (например, черную дыру или звезду). Этот процесс лежит в основе нашего понимания явлений от звездообразования до роста черных дыр. Десятилетиями классическая модель Бонди, разработанная в 1950-х годах и до сих пор широко используемая, служила основой исследований аккреции.

Однако эта фундаментальная основа упускает критический фактор: самогравитацию аккрецируемого газа. Это упущение, по словам исследователей, может кардинально изменять структуру потоков и темпы аккреции в высокоплотных астрофизических средах, ограничивая точность модели в ключевых сценариях.

Чтобы решить эту задачу, команда разработала комплексную математическую структуру: краевую задачу с тремя точками, адаптированную для сферически симметричной аккреции, которая полностью учитывает самогравитацию аккрецируемого газа.

Исследователи использовали метод релаксации — численный метод, идеально подходящий для уточнения решений нелинейных систем, — и вывели упрощенные аналитические формулы, позволяющие астрономам быстро оценивать влияние самогравитации без интенсивных вычислений.

В основе новой модели лежит безразмерный параметр β, который количественно определяет эффекты самогравитации на основе четырех измеряемых свойств окружающей среды: плотности, скорости звука, внешнего радиуса и адиабатического индекса (мера реакции газа на изменения температуры и давления).

Результаты исследования показывают ключевые особенности влияния самогравитации на аккрецию:

• При увеличении β (указывающем на более сильную самогравитацию) «звуковая точка» потока аккреции — где газ переходит от дозвуковой к сверхзвуковой скорости — смещается внутрь к центральному объекту.
• Для адиабатических индексов (γ) между 1 и 5/3 (диапазон, охватывающий большинство астрофизических газов) более высокие значения β также приводят к значительному увеличению темпа аккреции.
• Критическое исключение возникает при γ = 5/3: здесь высокая «жесткость» газа (сопротивление сжатию) нейтрализует эффект самогравитации, и дальнейшего увеличения темпа аккреции не наблюдается.

Исследование также выявляет верхний предел для β: его превышение делает стабильную аккрецию невозможной — результат, который тесно согласуется с классической теорией гравитационной неустойчивости, включая известный предел Боннора-Эберта (который определяет, когда газовое облако коллапсирует под собственным весом).

Чтобы проверить практическую полезность модели, исследователи применили ее к двум знаковым астрофизическим сценариям:

• Сверхэддингтоновская аккреция на зародыши сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной: этот экстремальный процесс, при котором аккреция происходит гораздо быстрее, чем предсказывает предел Эддингтона (традиционная верхняя граница), сильно зависит от самогравитации — что делает новую модель критически важной для понимания формирования первых сверхмассивных черных дыр.
• Аккреция на звёздные объекты в дисках активных ядер галактик (AGN): Ядра активных галактик (AGN), представляющие собой светящиеся центры, питаемые сверхмассивными чёрными дырами, содержат диски из газа и пыли, в которых идёт процесс звездообразования и формируются компактные объекты, такие как нейтронные звёзды. Проведённое исследование демонстрирует, что в таких дисках при определённых условиях самогравитация перестаёт быть пренебрежимо малой величиной. Параметр β предлагается в качестве надёжного инструмента для количественной оценки её влияния.

Это исследование предлагает новую основу для изучения аккреции на всех космических масштабах — от звездообразования до эволюции самых ранних черных дыр.

Дополнительная информация: Cheng-Liang Jiao et al, Spherically Symmetric Accretion with Self-gravity: Analytical Formulae and Numerical Validation, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adec71

Источник: Chinese Academy of Sciences