Akrecja (astronomia)

Akrecja

Akrecja to proces polegający na opadaniu rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego, spowodowany działaniem grawitacji. Może mu towarzyszyć uwalnianie znacznych ilości energii w formie promieniowania elektromagnetycznego, gdy opadająca materia emituje część utraconej grawitacyjnej energii potencjalnej. Zjawisko to jest szczególnie spektakularne w przypadku obiektów zwartym, takich jak białe karły, gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Przyjmuje się, że mechanizm akrecji materii na supermasywną czarną dziurę stanowi źródło energii dla aktywnych jąder galaktyk.

Termin akrecja odnosi się także do procesu wzrostu cząsteczek pyłu, spowodowanego oddziaływaniami elektrostatycznymi. Zjawisko to występuje na przykład w dyskach protoplanetarnych i prowadzi do formowania planetozaurów. Dwa znaczenia akrecji mogą prowadzić do niejasności w kontekście takich układów jak gwiazdy typu T Tauri, gdzie zachodzi zarówno wzrost ziaren pyłu, jak i akrecja materii na gwiazdę centralną przez dysk akrecyjny.

Typy akrecji grawitacyjnej

Proces akrecji zależy od momentu pędu opadającej materii oraz od pola magnetycznego obiektu centralnego. W tym kontekście wyróżnia się trzy główne rodzaje akrecji:

Akrecja sferyczna – występuje, gdy opadająca materia ma znikomy moment pędu względem centrum grawitacji. Może mieć miejsce w przypadku pojedynczej gwiazdy, na którą opada materia z ośrodka międzygwiazdowego. Może to również dotyczyć akrecji na masywne czarne dziury w słabo aktywnych galaktykach eliptycznych.
Akrecja dyskowa – ma miejsce, gdy materia posiada wystarczający moment pędu, uniemożliwiający jej bezpośrednie opadanie na gwiazdę centralną. Wokół obiektu centralnego tworzy się dysk akrecyjny, a proces akrecji wymaga utraty momentu pędu przez materię. Takie zjawisko zachodzi w układach podwójnych z czarną dziurą lub gwiazdą o słabym polu magnetycznym oraz w aktywnych galaktykach.
Kolumna akrecyjna – powstaje, gdy gwiazda centralna ma wystarczająco silne i stabilne globalne pole magnetyczne. Plazma w pobliżu gwiazdy nie może poruszać się w kierunku prostopadłym do linii pola magnetycznego, lecz jedynie wzdłuż nich. W okolicach biegunowych, gdzie linie pola zbliżają się do gwiazdy, zachodzi głównie opadanie materii, co prowadzi do powstania struktury przypominającej kolumnę. Przykładem są akrecje na magnetyczne białe karły oraz gwiazdy neutronowe o silnym polu magnetycznym, takie jak pulsary rentgenowskie. Sugerowano również tę geometrię akrecji dla układu BP Tauri, jednej z gwiazd typu T Tauri (Donati et al. 2008).

Nierelatywistyczny model akrecji

Najprostszy model opadania materii na sferycznie symetryczne ciało został opracowany w 1952 roku przez Hermanna Bondiego.

Jeżeli gwiazda o masie M otoczona jest dużym obłokiem gazu, to istnieje krytyczna odległość od gwiazdy, powyżej której cząsteczki gazu poruszają się swobodnie ruchem termicznym, co oznacza, że ich energia kinetyczna przewyższa energię potencjalną w polu grawitacyjnym gwiazdy. Innymi słowy, prędkość związana z ruchem termicznym jest większa niż prędkość ucieczki. Krytyczną odległość można obliczyć ze wzoru:

r_k = 2GM/v²,

gdzie:

G – stała grawitacji,
v – prędkość rozchodzenia się podłużnej fali gęstości w gazie.

W postaci bardziej użytecznej do obliczeń, wzór przyjmuje formę:

r_k = 10¹² (M_s) (10⁴ K/T),

gdzie:

M_s – masa gwiazdy wyrażona w masach Słońca,
T – temperatura gazu w odległości większej od r_k od gwiazdy.

Cząstki znajdujące się bliżej gwiazdy niż prędkość graniczna opadają na nią swobodnie. Prędkość opadania masy gazu na gwiazdę centralną określa równanie:

dM/dt = 4πG²M²ρ/v²,

gdzie: