hvordan det faktum, at sorte huller er meget effektive til at tiltrække omgivende stof, fører til nogle af de mest spektakulære lysfænomener i hele kosmos

en artikel af Andreas M Lartller

tyngdekraften resulterer i universel tiltrækning mellem alle masser. En mulig konsekvens af dette er accretion, astrofysikernes tæppe betegnelse for processer, hvor et massivt centralt objekt opfanger (“accretes”) stof fra dets direkte kvarter. Tilvækst får det centrale objekt til at blive mere massivt og dermed stadig bedre til at samle stof op. Som et første skridt i retning af forståelse af accretion er det nyttigt at se på et mere generelt spørgsmål: Hvad er de mulige resultater, når materien falder mod et centralt objekt?

faldende stof

hvis det centrale objekt er en solid krop, kan Stof falde direkte på kroppen og pludselig stoppe. Dette ville være et eksempel på en” mekanisk barriere ” – det centrale objekts overflade forhindrer stof i at falde yderligere, ligesom Jordens faste overflade forhindrer os i at falde lige ind i midten af vores hjemmeplanet. Hvis det centrale legeme er et sort hul, kan Stof falde direkte mod det sorte huls horisont og ind i det sorte hul for aldrig at blive set igen. I begge tilfælde tager sagen et lige Spring.

men det er på ingen måde den eneste mulighed – det er faktisk undtagelsen snarere end reglen. Normalt vil sagen være i bevægelse, selv før den er tæt nok til, at det centrale objekt kan udøve et betydeligt træk. Medmindre denne bevægelse er rettet nøjagtigt mod det centrale objekt – et specielt tilfælde og dermed meget sjældent-vil der være en komponent i sidelæns bevægelse, og hvis denne komponent er stor nok, vil det faldende stof ikke ramme det centrale objekt, men gå forbi det.

et muligt resultat af en sådan nær miss er en bane, hvor den infalling masse passerer tæt på de centrale objekter før overskriften ud i rummet, aldrig at vende tilbage (ubundet kredsløb). En anden er en lukket (bundet) bane, hvor den infallende masse fortsætter med at bevæge sig rundt om det centrale objekt; velkendte eksempler er planeterne i vores solsystem på deres baner omkring solen.

et andet eksempel på en næsten miss bane, denne noget mere kompliceret, kan ses på billedet nedenfor-et binært stjernesystem bestående af en kæmpe stjerne, vist til venstre, og en kompakt ledsagerstjerne til højre:

den gigantiske stjerne er så stor, at for noget af sagen i dens ydre konvolut er gravitationstrækningen af den kompakte ledsager større end den af selve kæmpestjernen. Materie trækkes mod ledsageren. Denne sag springer imidlertid ikke direkte ned på ledsagerstjernen, fordi den har tilstrækkelig sidelæns bevægelse til at opbygge en såkaldt accretion disk. Denne disk lavet af stjernemateriale kredser om ledsagerstjernen.

vinkelmoment og materiens skæbne i accretion diske

det faktum, at materie med tilstrækkelig sidelæns bevægelse vil savne det centrale objekt skyldes, hvad fysikere kalder bevarelsen af vinkelmoment. Når et objekt kredser om en central masse under påvirkning af tyngdekraften, giver mekanikernes love en klar erklæring: for det kredsende objekt skal produktet af dets masse, dets Afstand til det centrale legeme og den hastighed, hvormed det bevæger sig rundt om det legeme – dette er per definition objektets vinkelmoment – forblive konstant over tid. En kredsende planet kan ikke pludselig ændre sin kurs og gå lige ind i solen. For det ville dets vinkelmoment pludselig skulle hoppe til nul i modsætning til fysikens love. (Mere om bevarelsen af vinkelmoment kan findes i Spotlight-emnet, Hvad kunstskøjere, planeter og neutronstjerner har til fælles.)

i tilfælde af en planet fører bevarelsen af vinkelmoment til en regelmæssig bane. I tilfælde af den binære stjerne, der er afbildet ovenfor, har den også en rolle at spille: den gigantiske stjerne i illustrationen roterer langsomt, og det gør også sagen indeholdt i dens ydre regioner. Som følge heraf har denne sag ikke-nul vinkelmoment. Dette vinkelmoment bevares, når stofpartiklerne falder mod den kompakte ledsager for at danne accretion-disken.

situationen i accretion disken er betydeligt mere kompliceret end for kredsløbende planeter. Mekanikernes love bestemmer, at den samlede sum af alle stofpartiklers vinkelmoment ikke kan ændre sig over tid, men det er helt tilladt for en partikel at overføre dele af dens vinkelmoment til andre partikler. Dette kaldes vinkelmomenttransport. For eksempel bliver denne transport vigtig, så snart turbulens opstår. Turbulens er et naturligt fænomen i dynamiske plasmaer og gasser (såvel som i væsker). Den mest effektive mekanisme til omfordeling af vinkelmoment involverer plasmamateriale, hvor de forskellige partikler påvirker hinanden via svage magnetfelter. Nettoresultatet er en omfordeling af vinkelmoment fra det indre til de ydre områder af disken. Under denne proces formår sagen i de inderste regioner at kaste nok vinkelmoment til at kunne falde på (eller ind i) selve det centrale objekt. På denne måde accretes mere og mere stof på det centrale objekt. Uden vinkelmomentoverførsel ville denne vækst ved accretion være umulig.

lysende diske

de mest effektive samlere af stof er de mest kompakte objekter i kosmos: sorte huller. De er perfekte “rumtidsfælder” – intet, der falder i et sort hul, kan nogensinde undslippe, ikke engang lys. Derfor er sorte huller faktisk så sorte som deres navn antyder, og meget vanskelige for astronomer at opdage. Situationen ændrer sig imidlertid dramatisk, når et sort hul er “fodret” med stof fra dets nærhed – så kan sorte huller omdanne deres omgivelser til de lyseste og mest spektakulære regioner i kosmos!

der er flere måder for sorte huller til at lyse op deres kosmiske kvarter. Nogle kræver meget specielle omstændigheder, men den ene er universel, uanset hvor stof falder i et sort hul: produktion af termisk stråling. Materie, der falder mod et centralt objekt under påvirkning af tyngdekraften, accelereres til højere og højere hastigheder og får mere og mere kinetisk energi. Men når en partikel af infalling materie falder ind i en accretion disk – og muligvis tidligere – partiklens bevægelse forstyrres. På grund af hyppige kollisioner mellem alle de forskellige partikler er der ingen veldefinerede enkle baner. I stedet er hele ensemblet af partikler i kaotisk bevægelse. En sådan kaotisk bevægelse med hvirvler og ustabiliteter – ligesom i en turbulent væske – er almindelig inden for accretion diske. Per definition er uordnet mikroskopisk partikelbevægelse termisk bevægelse og som sådan direkte relateret til temperatur. Efterhånden som de indfaldende partiklers bevægelse bliver kaotisk, opvarmes stof i accretion-disken til meget høje temperaturer. Den maksimale temperatur i en accretion disk omkring et supermassivt sort hul hundrede gange massen af vores sol vil være omkring en million Kelvin, og for disken omkring et stjernesort hul kan det være op til en faktor hundrede højere. Til sammenligning udgør temperaturen i kernen af vores Sol omkring 15 millioner Kelvin.

i fysik, hvor der er varme, er der termisk elektromagnetisk stråling. Hver krop udsender termisk stråling-kun en krop med en temperatur på absolut nul ville ikke, men sådanne kroppe kan ikke eksistere (mere information om termisk stråling kan findes i Spotlight-emnet varme, der møder øjet). Når en krops temperatur stiger, stiger den energi, der udsendes i form af stråling, også. Temperaturen på en accretion disk omkring et sort hul er høj nok til, at diskmaterialet udsender store mængder stærkt energiske røntgenstråler.

stof, der falder mod et centralt objekt og danner en accretion disk, repræsenterer en yderst effektiv måde at producere stråling fra andre former for energi (i dette tilfælde gravitationsenergi). Det er cirka 30 gange mere effektivt end nuklear fusion, energikonverteringsmekanismen, der er ansvarlig for lysstyrken i vores sol og andre stjerner.

fra og med har ingen astronom formået at tage detaljerede billeder af accretion strømmen på et centralt sort hul – det ville kræve en højere opløsning end nuværende teleskoper kan give. I stedet har astrofysikere indirekte måder at teste deres antagelser om, hvad der sker i nærheden af et sådant sort hul: fra computersimuleringer kan de forudsige spektre af accretion diske – den måde strålingsenergien fordeles mellem de forskellige frekvenser. Disse spektre bærer et klart aftryk af de lokale forhold – en stærk gravitationsrødskift fortæller om det centrale objekts kompakthed; systematiske Doppler-skift registrerer, hvordan stof bevæger sig med næsten lysets hastighed i den omgivende disk. Når observationer viser, at massen koncentreret i det inderste område er høj nok – uden noget lysende objekt synligt på det pågældende sted – er der stor sandsynlighed for, at det centrale objekt er et sort hul.

fra denne liste over karakteristiske egenskaber har astronomer en klar forestilling om, hvad de skal kigge efter, og som det viser sig, er der faktisk objekter på nattehimlen med nøjagtigt de krævede egenskaber. Faktisk er kampen mellem forudsigelse og observation for en række kandidatobjekter ganske imponerende. Således ser det ud til, at vores univers indeholder sorte huller accreting materie. (Mere information om de pågældende astronomiske objekter kan findes i Spotlight-emnet aktive sorte huller: Ultra-hot cosmic beacons.)

yderligere Information