Общая теория относительности - Хокинга В.
Скачать (прямая ссылка):
195
звездным скоплением или газовым облаком, но более вероятно принадлежащей
единственному когерентному объекту (черной дыре?), размеры которого
гораздо меньше парсека.
Второй аргумент в пользу существования очень плотной структуры в квазарах
основывается на наблюдаемом временнбм масштабе вариаций оптической
светимости компактных «центральных» источников, который в некоторых
квазарах достигает ~1 дня (см., например, [214]). В отсутствие
кинематических эффектов СТО причинность ограничивает размер излучающей
области величиной ОТО15 см ~100(М/108Л1о) шварцшильдовских радиусов. Как
следует из энергетических соображений, квазары должны поставлять
характерную энергию >107 Mqc* за их времена жизни, а это, вероятно,
означает, что массы их источников энергии превосходят 108 Mq. Если быстро
флуктуирующие квазары типичны для класса как целого, то энергия должна
производиться в области, очень близкой к полному коллапсу. (Можно было бы
обойти этот аргумент. Если, например, квазар заключает в себе плотное
звездное скопление и каждая вспышка соответствует образованию новой
нейтронной звезды или черной дыры, тогда скопление может простираться
дальше ^1 пс. Постоянная ось вращения могла бы обеспечиваться либо
образованием всех звезд из дифференциально вращающегося диска с
параллельными спинами, либо (что более правдоподобно) использованием
асимметрии в облаке окружающего газа для формирования выхода энергии.
Одна из проблем, возникающих при развитии идеи такого типа, состоит в
том, что энергия, связанная со вспышкой индивидуального квазара, по-
видимому, не принимает специфических значений, которые могут быть связаны
с объектами в 1 Mq; фактически она изменяется в пределах от ^10-4 Mqc2 до
^103 Mqc2).
Если квазары обеспечиваются горючим за счет аккреции газа на черные дыры,
имеется характерное время [174], которое не зависит от массы дыры: когда
эддингтоновская светимость 7,эдд~ ~104в (М/108Л1о) эрг-с-1 высвобождается
при падении газа с (типичной) эффективностью ~0,1, т. е. когда /,эдд~0,1
Мсг, то Л4/Л4~ ~5-107 лет. Это время отличается меньше чем на порядок
величины от других независимых оценок времен жизни квазаров.
Переменное радиоизлучение от большинства квазаров, вероятно, является
синхротронным излучением, испускаемым релятивистскими электронами,
вращающимися в магнитостатических полях. Теория синхротронного излучения
предсказывает для радиокомпонент минимальный линейный размер lR> ми„
(см., например, [331 и ссылки там). Это предсказание основывается на
следующем. Энергия релятивистского электрона, излучающего на частоте v в
магнитном поле с напряженностью В, равна утс2~[2п\1(еВ1тс)]ч>тс2. Исходя
из термодинамики, мы ожидаем, что энергия электрона превышает
произведение постоянной Больцмана и «яркостной температуры» Тв
наблюдаемого излучения, а (по определению, пригодному для рэлей-
джинсовского участка спектра чернотельного
7*
196
Р. Д. Блэндфорд, К. С. Торн
излучения) T8~/r2Lrv_s, где LR— полная радиосветимость и iR — линейный
размер источника. Поэтому для данного поля излучения мы имеем нижнюю
границу линейного размера источника lR^lR, М11„~ ~В'/*. Казалось бы,
величину lR можно сделать сколь угодно малой просто путем уменьшения В.
Однако это не так, поскольку, если источник становится слишком
компактным, плотность энергии радиоизлучения LR/4nlRc превосходит
плотность магнитной энергии Вг/8я; релятивистские электроны теряют
гораздо больше энергии за счет «обратного комптоновского» рассеяния
радиофотонов, чем за счет синхротронного «рассеяния» виртуальных квантов
в магнитном поле, и требования к полной мощности источника становятся
запрещающими. (Каждое обратное комптоновское рассеяние фотона увеличивает
его энергию в ~у2 раз.) Грубая прикидка, которая в большинстве случаев
достаточно хороша, показывает, что радиояркостная температура едва ли
превышает 1014 К и что соответственно мян^— 1 пс 198].
Тогда размер радиоисточника в типичном случае в ^104 раз больше, чем
размер предполагаемой центральной черной дыры. Энергия, необходимая для
ускорения излучающих- электронов, должна быть перенесена от дыры к
компонентам в сравнительно полезной «низкоэнтропийной» форме, такой, как
большое количество кинетической энергии. Диссипация всей энергии вблизи
горизонта в виде свободно уходящих фотонов или релятивистских частиц
невыгодна, если вы хотите объяснить радионаблюдения. Это важное
ограничение на модели квазаров с черными дырами.
6.3. ОПТИЧЕСКОЕ И РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Типичный квазар излучает в непрерывном спектре полную мощность ~1045—1048
эрг-с-1. Оптический спектральный индекс, определяемый как а=—d \og SJd
logv, где Sv — поток энергии на единицу частоты, лежит в интервале
0^s<x^4, и большая часть мощности может приходиться либо на инфракрасную
(а<1), либо на ультрафиолетовую (оС>1) область спектра. (Ультрафиолетовый
поток, вероятно, ответствен за фотоионизацию областей эмиссионных линий,
