Toplanma diski

Hubble uzay teleskobu tarafından çekilen eliptik galaksideki bir kara delik üzerine biriktirilen gaz olabilir NGC 4261

Toplanma diski büyük bir merkez vücut etrafındaki yörüngesel harekete yayılmış madde tarafından oluşturulmuş bir yapıdır. Merkez vücut genel olarak bir yıldızdır. Yerçekimi disk içerisindeki madenin dönerek merkez vücudun içerisine doğru hareket etmesine neden olur. Yer çekimi ve sürtünme kuvveti sıkıştırır ve elektromanyetik radyasyonun yayılmasına neden olan maddenin sıcaklığını yükseltir. Bu radyasyonun frekans aralığı merkez nesnenin kütlesine bağlıdır. Genç yıldızların yığılma diskleri kızılötesi içinde yayılır. Bunlar spektrumun X-ışını bölümündeki nötron yıldızları ve kara delikler etrafındadır. Toplanma disklerindeki salınım odlarının çalışması diskoseismoloji olarak adlandırılır.

Belirtileri

Toplanma diskleri astrofizikte sıkça görülen bir olgudur. Aktif galaktik çekirdekler, bütün ata gezegen diskleri ve gama ışın patlamaları toplanma disklerini içerir. Bu diskler sık sık merkez nesnenin civarından gele astrofiziksel püskürtmelere neden olurlar. Püskürtmeler çok fazla kütle kaybetmeden yıldız disk sistemini atmanın en etkili yoludur. Doğada bulunan en muhteşem toplanma diskleri galaksilerin merkezindeki kara delikler olduğuna inanılan aktif galaktik çekirdeklerinin ve kuasarların toplanma diskleridir. Madde karadelikteki tendex çizgisini takip ederken yoğun yerçekimi eğimi yoğun sürtünme ısısına neden olur. Bir kara deliğin yığılma diski sadece olay ufkunun dışındaki X ışınlarını yayacak kadar sıcaktır. Kuasarların büyük ışıldamalarının süper kütleli karadelikler tarafından arttırılan gazların bir sonucu olduğuna inanılmaktadır. Bu süreç bir nesnenin kütlesinin yaklaşık %10-40’ını enerjiye çevirir. Yakın ikili sistemlerde birincil bileşen büyüdükçe daha hızlı gelişir ve çoktan daha az yoğun olan eşi dev duruma ulaştığında nötron yıldızı ya da karadelik halini alır. Gaz akar ve birleşik yıldızlardan birincile gelişir. Açısal momentum korunumu bir yıldızdan diğerine düz bir akışı engeller ve onun yerine toplanma diski ortaya çıkar. T.Tavri yıldızlarını ya da Herbig yıldızlarını saran toplanma disklerine ata diskler adı verilir çünkü gezegen sistemlerinin ataları olduğu düşünülür.

kara delikte toplanma animasyonu

Bu animasyon süper bilgisayar verileri sizi yıldız kütleli bir kara deliğin yığılma diskinin iç bölgesine götürür.

Bu video galaksi NGC 3783 merkezindeki kara delikten kaynaklanan tozlu bir rüzgar izlenimini verir.

Toplanma disk fiziği

1940’larda, modeller ilk temel fizik prensiplerinden elde edildi. Gözlemlere katılma amacıyla, bu modeller açısal momentumun yeniden dağıtılması için henüz bilinmeyen bir mekanizma çalıştırmak zorunda kaldı. Eğer madde içeri düşerse sadece yerçekimi enerjisini değil açısal momentumunu da kaybeder. Kütle merkezinin içine düşen açısal momentum, merkezden uzakta bir kitlenin açısal momentum kazancıyla telefi edilmelidir. Çünkü diskin toplam açısal momentumu korunur. Başka bir deyişle, o açısal momentum maddenin yapışmasını sağlamak için dışarı nakledilmelidir. Rayleigh kararlılık kriterlerine göre;

${\displaystyle {\frac {\partial (R^{2}\Omega )}{\partial R}}>0,}$

Burada ${\displaystyle \Omega }$ sıvı elementin açısal hızını ve ${\displaystyle R}$ ise rotasyon merkezine uzaklığını temsil eder. Bir toplanma diskinde laminer bir akış olması bekleniyor. Bu açısal momentumun taşınması için bir hidrodinamik mekanizmanın varlığını önler. Bir yandan, viskoz gerilmeleri maddenin ısınmasına ve yerçekimi enerjisini yaymak için merkeze doğru gitmesine neden olur. Öte yandan, viskozite kendisi için dişi dış kısımlarına açısal momentum taşımasını açıklamak için yeterli değildir. Türbülansın kökeni tam olarak anlaşılamamış olmasına rağmen, geliştirilmiş türbülans vizkozite mekanizmasının, açısal momentumu yeniden dağıtmasından sorumlu olduğu düşünülüyor. Geleneksel fenomenolojik yaklaşım, disk içindeki türbülans girdaplar nedeniyle vizkozitede etkili artışla tanımlanan ayarlanabilir bir parometreyi tanıttı.1991 yılında, manyetik dönme istikrarsızlığının (MRG) yeniden keşfi ile birlikte, S.A. Balbu ve J.F. Hawley zayıf bir manyetize disk kurdular. Bu disk ağır, kompakt merkezli nesnenin etrafına kurulduğu için son derece iktidarsız olmalıydı. Bu disk açısal momentumun yeniden dağıtılması için doğrudan bir mekanizma sağlar.

α-Disk Modeli

Shakura ve Sunyaev (1973) artırılmş bir viskozite kaynağı olarak gaz türbülansını önerir. Subsonik türbülans ve girdapların boyutu için bir üst limit olarak disk yüksekliğini varsayarsak, disk viskozitesi ${\displaystyle \nu =\alpha c_{\rm {s}}H}$ olarak tahmin edilebilir.Burada ${\displaystyle c_{\rm {s}}}$ ses hızı, ${\displaystyle H}$ disk yüksekliği ve ${\displaystyle \alpha }$ ise sıfır ve bir arasındaki serbest parametredir. Türbülans hareketi ${\displaystyle \nu \approx v_{\rm {turb}}l_{\rm {turb}}}$ , burada ${\displaystyle v_{\rm {turb}}}$ gaz hareketine göreceli çalkantılı hücrelerin hızı ve ${\displaystyle l_{\rm {turb}}}$ büyük çalkantılı hücrelerin boyutudur, ${\displaystyle l_{\rm {turb}}\approx H=c_{\rm {s}}/\Omega }$ olarak tahmin edilir. Burada ${\displaystyle v_{\rm {turb}}\approx c_{\rm {s}}}$, where ${\displaystyle \Omega =(GM)^{1/2}r^{-3/2}}$ , Kepler yörünge açısal hızıdır. ${\displaystyle M}$ kütle ve ${\displaystyle r}$ cismin radyal mesafesidir. Hidrostatik bir denge denklemi kullanılarak, açısal momentum korunumu ile kombine eder ve disk ince olduğunu varsayarsak, disk yapısının denklemleri parametresi cinsinden çözülebilir. Gözlemlerin çoğu sadece zayıf ${\displaystyle \alpha }$ ’lara bağlıdır. Bu yüzden bu teori serbest parametre olsa bile göstergedir. Opasite için Kramers 'yasası kullanarak şu bulunmuştur:

${\displaystyle H=1.7\times 10^{8}\alpha ^{-1/10}{\dot {M}}_{16}^{3/20}m_{1}^{-3/8}R_{10}^{9/8}f^{3/5}{\rm {cm}}}$

${\displaystyle T_{c}=1.4\times 10^{4}\alpha ^{-1/5}{\dot {M}}_{16}^{3/10}m_{1}^{1/4}R_{10}^{-3/4}f^{6/5}{\rm {K}}}$

${\displaystyle \rho =3.1\times 10^{-8}\alpha ^{-7/10}{\dot {M}}_{16}^{11/20}m_{1}^{5/8}R_{10}^{-15/8}f^{11/5}{\rm {g\ cm}}^{-3}}$

Burada ${\displaystyle T_{c}}$ ve ${\displaystyle \rho }$ orta düzlem sıcaklık ve yoğunluktur. ${\displaystyle {\dot {M}}_{16}}$ toplanma oranı ve ${\displaystyle m_{1}}$ ise bir güneş kütle birimi merkezinin biriktirdiği nesnesinin kütlesidir. ${\displaystyle R_{10}}$ diskteki bir noktanın çapıdır. Shakura-Sunyaev α-Disc modeli termik ve dengesizdir. ${\displaystyle \beta }$ disk alternetif bir yöntemdir. Bu, viskozitenin gaz basıncına orantılı olduğunu varsaymaktadır ${\displaystyle \nu \propto \alpha p_{\mathrm {gas} }}$. Standart Shakura-Sunyaev modelinde, viskozitenin toplam basınçta orantılı olduğuna dikkat ediniz. ${\displaystyle \nu \propto \alpha p_{\mathrm {gas} }}$ çünkü ${\displaystyle \nu =\alpha c_{\rm {s}}H=\alpha c_{s}^{2}/\Omega =\alpha p_{\mathrm {tot} }/(\rho \Omega )}$ . Shakura-Sunyaev modeli, diskin yerel termal dengede olduğun, ve verimli ısı yayabildiğini varsayar. Bu durumda disk, viskozu ısıtır, soğutur ve geometrik olarak ince hale getirir. Ancak, bu varsayım yıkılabilir. Radyatif verimsizlik durumunda disk, bir torus veya Advection Dominated Accretion Flow (ADAF) gibi diğer bazı üç boyutlu çözeltiler içinde kabarabilir. ADAF çözeltilerinde genellikle katma oranı, Eddington sınırından daha küçük yüzdeli olması gerekir. Başka bir aşırı Satürn'ün halkalarının durumda, yani diskin zayıf gaz olduğu durumda, açısal momentum taşıması, katı cisim çarpışmalar ve disk-moon yerçekimi etkileşimleri baskındır. Model yerçekimi merceklenmesini kullanarak yeni astrofizik ölçümleri ile anlaşılmıştır.

Manyetikdönme istikrarsızlığı

HH-30, bir Herbig-Haro nesnesi bir toplanma disk ile çevrilir.

Balbus ve Hawley (1991) açısal momentum naklini üretmek için manyetik alan içeren bir mekanizma ileri sürdü. Bu mekanizmayı gösteren basit sistem zayıf eksensel manyetik alanın varoluşunda gaz bir disktir. İki radyal olarak komşu sıvı elementler kütlesiz bir iple bağlanan (manyetik gerilmede rol oynayan ip gerilimi) iki kütle noktası gibi davranacak. Kepler diskinde iç sıvı element yörüngede ipte gerilmeye neden olan dıştakindan hızlı dönüyor olabilecekti. Iç sıvı element sonra ip tarafından yavaşlatmaya ve onu alt yörüngesine hareket ettirtmek için açısal hızını paralel olarak azaltmaya zorlanır. Öne doğru çekiliyor olan dış sıvı element hızlandıracak, onun açısal momentumunu arttıracak ve daha geniş çaplı yörüngeye taşıyacak. İp gerilimi artacak çünkü iki sıvı element daha uzak noktaya taşır ve süreç uzar . Bu tür bir yay benzeri bir gerilim mevcudiyetinde Rayleigh kararlılık kriteri ile değiştirilir:

${\displaystyle {\frac {d\Omega ^{2}}{d\ln R}}>0.}$

Çoğu Astrofiziksel diskler bu kriteri karşılamaz ve bu nedenle bu Manyetik dönme istikrarsızlığına eğilimlidir. Manyetik alan temsili astrofiziksel nesnelerde (istikrarsızlığın oluşması için gerekli) dinamo eylemi tarafından üretildiğine inanılır.

Manyetik Alanlar ve Jetler

Yığılma diskler genellikle yıldızlararası ortamda mevcut dış manyetik alanlar tarafından geçirilmiş olduğu varsayılır. Bu alanlar (yaklaşık 1 mikro-Gauss), tipik olarak zayıf, ama yüksek elektrik iletkenliğinden dolayı onlar diskte maddeye demirlemiş olabilir ve içe doğru merkezi yıldıza doğru taşıdı. Bu süreç çok güçlü manyetik alana artış veren diskin merkezinin çevresindeki manyetik akıya yoğunlaşabilir. Yığılma disklerin rota ekseni boyunca güçlü astrofiziksel jetlerin oluşumu diskin içindeki bölgelerde büyük bir ölçek poloidik manyetik alan gerektirir. Bu tür bir manyetik alan yıldızlar arası ortamından içeriye doğru advect edilmiş olabilir veya disk içinde, bir manyetik dinamo hareketi ile oluşturulabilir. Gauss en azından 100 sıra Manyetik alan güçleri manyeto-merkezkaç mekanizması güçlü jetleri fırlatmak için gerekli görünür. Bazı problemler var, diskin merkezi yıldızına doğru içeri doğru dış manyetik akı taşımada. Yüksek elektrik iletkenliği manyetik alanın yavaş hızlı merkezcil bir nesne üzerinde birleştirilen madde içinde dondurulmuş olduğunu belirtti. Fakat plazma mükemmel bir elektrik iletkeni değildir bu yüzden her zaman bazı dağılma dereceleri vardır. Manyetik alan maddenin yapışmasıyla içeri doğru taşınılabiliyor olma oranından daha hızlı uzağa yayar. Bu süreci çalışmak için basit yol diskte manyetik yayılma gücünden daha geniş olan akışmazlıktır. Fakat sayısal simülasyonlar ve teorik modeller akışmazlık ve manyetik yayılma gücünün çoğu yapışma disklerde hemen hemen büyüklüğün aynı sıraya sahip olduğunu gösterir. Bazı diğer faktörler belki yatay iletim/yayılma oranını: diskle meridyen dolanımı; Shakura-Sunyaev akışmazlığında orta manyetik alanın etkisi; ve küçük ölçek MHD türbülans-büyük ölçek dinamo ile büyük ölçek alan dağılımı etkileyebilir.

Alt-Eddington toplanma disklerinin Analitik modelleri (ince diskler, ADAFs)

Yapıştırma oranı sub-Eddington ve donukluk çok düşük olduğunda, ADAF oluşur. Yapıştırma disklerin bu türleri 1977 de Ichimaru tarafından tahmin edildi. Ichimaru'nun kağıdı büyük ölçüde göz ardı edilmesine rağmen, ADAF modelinin bazı elementleri Rees, Phinney, Begelman ve Blandford tarafından etkileyici 1982 iyon-tori kağıdı mevcuttu. Sadece Narayan ve Yi, ve bağımsız bir şekilde Abramowicz, Chen, Kato, Lasota (ADAF'ın ismini türeten kişi) ve Regev tarafından 1990 ların ortalarında onların yeniden keşiflerinden sonra ADAF birçok yazar tarafından yoğun biçimde incelenmeye başladı. Adaf'ın astrofiziksel uygulamalarına en önemli katkıları Narayan ve onun işbirlikçileri tarafından yapılmıştır. ADAF radyasyonun aksine adveksiyon (maddede yakalanan ısı) ile soğutulur. Onlar ışımsal olarak çok yetersiz, geometrik olarak yayılmış, bir diskin aksine küreye benzer ve çok sıcak (virial sıcaklığa yakın). Düşük yeterlilikten dolayı, ADAF Shakura-Sunyaev disklerinden çok az aydınlıktır. EDAF güçlü Compton bileşeniyle sık sık termal olmayan radyasyonla bir güç yayar.

Atılım diski

Bir toplanma diskinin tersi bir atılım diski merkezi nesneli bir diskten malzeme biriktirmek yerine malzeme merkezde disk üzerine dışarı doğru atılır. Atılım diskler yıldızlar birleştiğinde oluşur.