![\includegraphics[width=0.14\hsize,
height=0.21\hsize]{gerb_izdat.bmp}](img395.gif){kind=small}
=0.9
=0.9
К 25-летию
Волгоградского государственного университета
ЮБИЛЕЙНАЯ СЕРИЯ
``ТРУДЫ УЧЕНЫХ ВолГУ''
Редакционный совет серии:
Иншаков О.В. (пред.), Сипливый Б.Н. (зам. пред.), Сгибнева О.И., Воронин А.А., Лобанова Л.В., Поляков П.В., Прохватилова О.А., Пигалев А.И., Сидоров С.Г., Шамне Н.Л.
УДК 524.6
ББК 22.63
true mm М79
=0.7
=0.7
Морозов А.Г., Хоперсков А.В.
М79 Физика дисков [Текст]: [монография] / А.Г. Морозов, А.В. Хоперсков; ВолГУ; предисл. А.В. Засова, М.Е. Прохорова. -- Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. -- 423 с. -- (Юбил. серия ``Труды ученых ВолГУ'' / редсовет серии: О.В. Иншаков (пред.) [и др.]).
ISBN 5-9669-0014-0
=.6В книге рассматриваются физические процессы, определяющие динамику и пространственную структуру астрофизических дисков (звездных и газовых дисков галактик, аккреционных дисков вокруг компактных объектов, в протозвездных и протопланетных системах). Проводится последовательное изучение динамики малых возмущений и вопросов устойчивости для бесстолкновительных и газодинамических систем. Подробно рассматривается физика многочисленных неустойчивостей. Излагаются основные нелинейные результаты, базирующиеся на проведении численных (компьютерных) экспериментов. Обсуждаются некоторые механизмы образования спиральной структуры галактик.
Предназначена для научных работников, аспирантов и студентов старших курсов.
ББК 22.63
ISBN 5-9669-0014-0
© А.Г. Морозов, А.В. Хоперсков, 2005
© Издательство Волгоградского
государственного университета, 2005
=0.9
=1.1
Книга А.Г. Морозова и А.В. Хоперскова ``Физика дисков'' посвящена теоретическому исследованию астрофизических дисков, которые представляются важнейшими компонентами спиральных галактик, протопланетных и протозвездных систем, тесных двойных звезд. Газовые диски окружают и сверхмассивные черные дыры в центре многих галактик. К числу фундаментальных проблем, рассматриваемых в этой книге, следует отнести проблему существования скрытой темной массы в галактиках, вопрос о механизмах отвода углового момента, обеспечивающих падение вещества на центральный объект, турбулентность в газовых дисках. Авторы излагают основные данные наблюдений, лежащие в основе классических моделей аккреционных дисков (теория Шакуры-Сюняева), звездных и газовых галактических дисков.
В монографии последовательно развивается подход, основанный на изучении устойчивости аккреционных и галактических дисков в линейном и нелинейном режимах, что приближает к пониманию природы спиральной галактической структуры, галактических баров, сложного строения центральных областей спиральных галактик, изгибов галактических дисков, нестационарности аккрецирующих систем, а в ряде случаев позволяет получать ограничения на параметры астрофизических объектов, прямое определение которых из наблюдений пока невозможно.
Бурное развитие теоретической астрофизики в последние десятилетия в немалой степени связано с возможностями численного эксперимента, и эта книга в какой-то степени восполняет отсутствие на русском языке современного систематического изложения методов построения динамических моделей и основанных на их анализе результатов в приложении к конкретным астрофизическим объектам.
Следует отметить неслучайность выхода такой книги в издательстве Волгоградского госуниверситета, поскольку в ВолГУ в течение многих лет ведутся активные астрофизические исследования, и в частности основанные на развитии методов численного моделирования бесстолкновительных систем и газодинамических течений. Книга, безусловно, представляет интерес не только для специалистов, но и для студентов и аспирантов. Электронный вариант книги был размещен на общедоступном и часто посещаемом сайте WWW.ASTRONET.RU.
Профессор Московского госуниверситета, д.ф.-м.н. А.В. Засов
Ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, д.ф.-м.н. М.Е. Прохоров
=1.15
=0.98
Существенная часть наблюдаемого вещества во Вселенной находится в системах, по внешнему виду напоминающих диски. К ним относится большинство галактик. Но и в самих галактиках диски встречаются достаточно часто. Наблюдаются протозвезды -- совсем молодые, только рождающиеся звезды, окруженные дисками. Немалая доля звезд входит в состав двойных систем, проходящих через стадию формирования газового диска вокруг одной из компонент. Планеты возникают из газопылевых дисков, которые называют протопланетными. Солнечная система, состоящая с учетом малых тел (астероидов) из огромного числа объектов, и открываемые в последние годы внешние планетные системы тоже являются дисковыми структурами. Дискообразные системы имеются вокруг планет -- примерами могут служить кольца Сатурна, Юпитера, Нептуна, Урана. Наконец, в последнее время диски стали обнаруживать в системах, отличительной особенностью которых как раз считалось отсутствие плоских подсистем. Речь идет о наблюдениях эллиптических галактик с так называемыми ``толстыми дисками''. Итак, в природе имеется целая иерархия дисков. По-видимому, впервые понятие астрофизического диска возникло в предложенной Лапласом теории образования Солнечной системы. Кольца Сатурна наблюдались еще в XVII в., а галактический диск впервые ``увидел'' Джинс. Именно Джинс первым понял, что Млечный Путь является плоской вращающейся звездной системой -- нашей Галактикой, одной из многих.
Разумеется, физические условия в перечисленных выше системах
чрезвычайно многообразны. Вещество дисков выступает в форме
звезд, газовых облаков, диффузного газа, пыли; спектр температур
лежит в широчайших пределах от десятков до миллионов
градусов; наблюдаются магнитные поля от 
до
Гс; гравитационные поля во внутренних областях аккреционных дисков
настолько велики, что требуется привлечение общей теории
относительности. Дискообразные объекты объединяет между собой
прежде всего то, что существуют они благодаря совместному
действию вращения и гравитации. Диски различаются не
только пространственными масштабами (от сотен километров до
сотен килопарсек), но и характерными временами процессов -- от
долей секунд до миллиардов лет. И несмотря на все бросающиеся в
глаза различия, диски во многих случаях обнаруживают большое
сходство в отношении протекающих в них физических процессов.
Очень часто один и тот же физический механизм лежит в основе
какого-либо явления в галактическом газовом диске и в
аккреционном диске вокруг нейтронной звезды, который по
размерам в триллион раз меньше. Весьма схожие процессы
(близкие в некоторых случаях даже количественно) протекают в
звездном диске, состоящем из практически несталкивающихся
частиц-звезд, и в газовом столкновительном галактическом
диске, где роль частиц играют массивные газовые облака.
Предметом нашего рассмотрения являются астрофизические объекты. Однако уже давно вместе с широким проникновением в астрофизику современных методов теоретической физики и физики плазмы астрофизика превратилась в своего рода полигон для новых теорий, методов и гипотез, ибо почти всегда во Вселенной находится объект, превосходящий самые смелые фантазии исследователей.
Хотя эта книга посвящена астрофизическим дискам, в первую очередь авторов интересовали не столько астрономические наблюдения, сколько физика явления, выяснение механизмов процессов, ответ на вопрос: почему это происходит или может происходить? Для физика-теоретика выход за атмосферу Земли открывает совершенно фантастические горизонты, в природе реализуются физические условия, превосходящие самые безумные идеи писателей-фантастов. И можно сказать, что научная фантастика безнадежно отстала от современной науки.
В конце 60-х -- начале 70-х годов в теоретическую астрофизику пришли исследователи, занимавшиеся физикой плазмы. В астрофизике стали применяться понятия и методы, типичные для этой области, и прежде всего стало формироваться понимание важной и часто определяющей роли коллективных процессов 1. Многие физические механизмы, изученные в рамках физики плазмы, непосредственно использовались для объяснения астрофизических явлений, что во многом обусловило бурное развитие астрофизики.
За прошедшие два десятилетия ситуация начинает меняться. И теперь все чаще результаты, полученные в астрофизике, обогащают и стимулируют другие области физики. Современная теоретическая астрофизика стала ареной, где рождаются самые современные теории, находят практическое применение самые изысканные и рафинированные математические построения. Грань между физикой и астрофизикой все больше стирается. И может быть, главной отличительной чертой астрофизики является то, что она, как правило, комплексно исследует чрезвычайно сложные объекты, имея минимум информации о них, и чтобы понять их природу, необходимо привлекать для анализа большой набор физических дисциплин.
Буpное развитие вычислительной техники последних лет привело к появлению принципиально нового мощного метода исследования физических процессов -- вычислительного эксперимента. Численное моделирование во многих случаях оказывается единственным способом исследования физических явлений, поскольку применение аналитических методов существенно ограничивается сильной нелинейностью, многомерностью и нестационарностью систем. Разумеется, необходимо конкретизировать, что является критерием отбора материала, объединенного под названием ``физика дисков''. Прежде всего речь идет о крупномасштабной структуре дисков, которая обусловлена коллективными процессами. Наиболее плодотворные исследования относятся к двум направлениям: изучение динамики малых возмущений системы (проблема устойчивости) и численные (компьютерные) эксперименты, и потому этим вопросам уделяется повышенное внимание.
В настоящее время практически все проблемы, стоящие перед теоретиками и рассматриваемые в данной монографии, не получили еще окончательного решения. Во многих случаях имеется несколько подходов, последовательная реализация которых приводит к моделям, не позволяющим ответить на все вопросы, оставаясь в рамках какой-либо одной теории. Это справедливо для спиральной структуры галактик, механизма переноса углового момента вещества в аккреционных дисках, богатейшего спектра нестационарностей в квазарах или тесных двойных системах, природы релаксационных процессов в галактиках и т. д. Поэтому трудно ожидать, что во всех на первый взгляд однотипных объектах (например, крупномасштабные галактические спирали) действует один универсальный механизм.
Совершенно очевидно, что далеко не все явления, относящиеся к ``физике дисков'', нашли отражение в данной книге. Имеются прекрасные работы, освещающие различные аспекты астрофизических дисков, и мы будем неоднократно отсылать читателя к ним. Среди авторов этих работ следует в первую очередь назвать А.М. Фридмана и В.Л. Поляченко, монография которых ``Равновесие и устойчивость гравитирующих систем'' (1976) [163] (см. также [420, 421]) оказала определяющее влияние на становление общего мировоззрения авторов. Не меньшую пользу получили авторы и от многолетнего и весьма плодотворного сотрудничества с В.Л. Афанасьевым, А.В. Засовым и И.Г. Шухманом. Следует отметить и совместные работы одного из авторов с М.Б. Незлиным и Е.Н. Снежкиным, показавшими в своих экспериментах на ``мелкой воде'' [153] плодотворность гидродинамической концепции происхождения спиральной структуры галактик. Особо хотелось бы подчеркнуть роль возникшего в середине 80-х волгоградского астрофизического ``кластера'' в составе И.Г. Коваленко, В.В. Леви, Е.А. Михайловой, В.В. Мусцевого, Ю.М. Торгашина и авторов (а также М.А. Еремина, Д.В. Лукина и С.С. Хpапова), в ``котле'' которого созрело немало новых идей и разработок, составивших основу настоящей монографии.
Hам хочется выразить нашу пpизнательность А.В. Засову, Ю.В. Мусцевой, К.А. Постнову, М.Е. Прохорову, прочитавшим рукопись на разных этапах работы над ней и сделавшим ряд замечаний, благотворно повлиявших на ее качество. Большую благодаpность автоpы хотят выpазить В.В. Мусцевому за поддеpжку и участие.
Особую признательность выражаем ректору Волгоградского государственного университета О.В. Иншакову. Только его настойчивость заставила авторов перевести эту книгу из интернет-формы в традиционную бумажную, которую можно, поглядывая иногда на небо, почитать и на травке.
Александр Гавриилович Моpозов
Александр Валентинович Хопеpсков