How the fact that black holes are very efficient in attracting arrangements in the whole of the cosmos

an article by Andreas Müller

Gravitation results in universal attraction between all masses. Yksi mahdollinen seuraus tästä on akkretion, astrofyysikkojen yleisnimitys prosesseille, joissa massiivinen keskuskappale poimii (”accretes”) Materiaa suoraan lähistöltä. Kertymä saa keskeisen kohteen muuttumaan massiivisemmaksi ja siten yhä paremmaksi poimimaan Materiaa. Ensimmäisenä askeleena kohti kasvamisen ymmärtämistä on hyödyllistä tarkastella yleisempää kysymystä: Mitkä ovat mahdolliset lopputulokset, kun aine putoaa kohti keskeistä kohdetta?

putoava aine

Jos keskuskappale on kiinteä kappale, aine voi pudota suoraan kyseisen kappaleen päälle ja pysähtyä äkillisesti. Tämä olisi esimerkki ”mekaanisesta esteestä” – keskuskappaleen pinta estää aineen putoamisen yhtään pidemmälle, aivan kuten maan kiinteä pinta estää meitä putoamasta suoraan kotiplaneettamme keskipisteeseen. Jos keskuskappale on musta aukko, aine voi pudota suoraan mustan aukon horisonttiin ja mustaan aukkoon, eikä sitä enää koskaan nähdä. Molemmissa tapauksissa aine syöksyy suoraan.

mutta tämä ei suinkaan ole ainoa mahdollisuus – itse asiassa se on pikemminkin poikkeus kuin sääntö. Yleensä aine on liikkeessä jo ennen kuin se on tarpeeksi lähellä, jotta keskuskappale voisi vetää sitä merkittävästi. Ellei tätä liikettä suunnata juuri keskuskappaletta kohti-erikoistapaus ja siten hyvin harvinainen-tapahtuu sivuttaisliikkeen komponentti, ja jos kyseinen komponentti on tarpeeksi suuri, putoava aine ei osu keskuskappaleeseen, vaan menee sen ohi.

yksi mahdollinen seuraus tällaisesta läheltä piti-tilanteesta on kiertorata, jolla infarktoiva massa kulkee lähellä keskustähtiä ennen avaruuteen lähtöä eikä koskaan palaa (sitoutumaton kiertorata). Toinen on suljettu (sidottu) rata, jolla infiltroituva massa liikkuu edelleen keskikappaleen ympäri; tunnettuja esimerkkejä ovat aurinkokuntamme planeetat, jotka kiertävät rataansa auringon ympäri.

toinen esimerkki läheltä piti-kiertoradasta, tämä hieman monimutkaisempi, voidaan nähdä alla olevassa kuvassa – kaksoistähtijärjestelmä, joka koostuu vasemmalla näkyvästä jättiläistähdestä ja oikealla olevasta kompaktista seuralaistähdestä:

jättiläistähti on niin suuri, että sen ulkokuoressa olevan aineen gravitaatiovoima on suurempi kuin itse jättiläistähdestä. Materia vetää kohti kumppania. Tämä aine ei kuitenkaan syöksy suoraan seuralaistähden päälle, koska sillä on riittävästi sivuttaisliikettä niin sanotun kertymäkiekon muodostamiseksi. Tämä tähtiaineksesta tehty Kiekko kiertää seuralaistähteä.

kulmamomentti ja aineen kohtalo kertymäkiekoissa

se, että Materia, jolla on riittävä sivuttaisliike, jää ilman keskustähteä, johtuu siitä, mitä fyysikot kutsuvat kulmamomentin säilymiseksi. Kun kappale kiertää keskusmassaa painovoiman vaikutuksesta, mekaniikan lait antavat selkeän lausunnon: kiertävän kappaleen massan, sen etäisyyden keskuskappaleeseen ja sen nopeuden, jolla se liikkuu kappaleen ympäri – tämä on määritelmän mukaan kappaleen kulmamomentti – on pysyttävä ajan mittaan vakiona. Kiertävä planeetta ei voi yhtäkkiä muuttaa kurssiaan ja suunnata suoraan aurinkoon. Sitä varten sen kulmamomentti joutuisi yhtäkkiä hyppäämään nollaan fysiikan lakeja uhmaten. (Lisää kulmamomentin säilymisestä löytyy Parrasvaloaiheesta, mitä yhteistä taitoluistelijoilla, planeetoilla ja neutronitähdillä on.)

planeetan tapauksessa kulmamomentin säilyminen johtaa säännölliseen kiertorataan. Yllä kuvatun kaksoistähden tapauksessa sillä on myös osansa: kuvan jättiläistähti pyörii hitaasti, samoin sen ulkoalueiden sisältämä aines. Tämän seurauksena tällä aineella on ei-nolla kulmamomentti. Tämä kulmamomentti säilyy, kun ainehiukkaset putoavat kompaktia kumppania kohti muodostaen kertymäkiekon.

tilanne kertymäkiekossa on huomattavasti monimutkaisempi kuin planeettoja kiertävillä. Mekaniikan lait säätävät, että kaikkien ainehiukkasten kulmamomenttisumma ei voi muuttua ajan kuluessa, mutta yhden hiukkasen on täysin sallittua siirtää osia kulmamomentistaan muille hiukkasille. Tätä kutsutaan kulmamomentin kuljetukseksi. Esimerkiksi tämä kuljetus tulee tärkeäksi heti turbulenssin ilmetessä. Turbulenssi on luonnollinen ilmiö dynaamisissa plasmoissa ja kaasuissa (sekä nesteissä). Tehokkain mekanismi kulmamomentin uudelleenjakamiseen liittyy plasman aineeseen, jossa eri hiukkaset vaikuttavat toisiinsa heikkojen magneettikenttien kautta. Nettotulos on kulmamomentin uudelleenjako sisemmästä kiekon ulkoalueille. Tämän prosessin aikana, aine sisimmillä alueilla onnistuu irtoa tarpeeksi kulmamomentti voi pudota (tai osaksi) keskeinen kohde itse. Tällä tavoin yhä enemmän ainetta kerääntyy keskeiseen kohteeseen. Ilman kulmamomentin siirtoa tämä kasvu kertymällä olisi mahdotonta.

valovoimaiset levykkeet

tehokkaimpia aineen kerääjiä ovat kosmoksen kompaktimmat kappaleet: mustat aukot. Ne ovat täydellisiä ”avaruusajan ansoja” – mikään, joka putoaa mustaan aukkoon, ei voi koskaan paeta, ei edes valo. Siksi mustat aukot ovat todellakin niin mustia kuin niiden nimi osoittaa, ja tähtitieteilijöiden on hyvin vaikea havaita niitä. Tilanne kuitenkin muuttuu dramaattisesti, kun mustaan aukkoon ”syötetään” ainetta sen läheisyydestä – silloin mustat aukot voivat muuttaa ympäristönsä kosmoksen kirkkaimmiksi ja näyttävimmiksi alueiksi!

mustilla aukoilla on useita tapoja valaista kosmista naapurustoaan. Jotkut vaativat hyvin erityisiä olosuhteita, mutta yksi on universaali kaikkialla, missä ainetta putoaa mustaan aukkoon: lämpösäteilyn tuottaminen. Gravitaation vaikutuksesta keskuskappaletta kohti putoava aine kiihtyy yhä suurempiin nopeuksiin saaden yhä enemmän liike-energiaa. Mutta kun törmäyskykyisen aineen hiukkanen syöksyy kertymäkiekkoon-ja mahdollisesti aikaisemmin-hiukkasen liike häiriintyy. Koska kaikkien eri hiukkasten välillä on usein törmäyksiä, ei ole olemassa tarkasti määriteltyjä yksinkertaisia kiertoratoja. Sen sijaan koko hiukkaskokoonpano on kaoottisessa liikkeessä. Tällainen kaoottinen liike pyörteineen ja epävakaisuuksineen – aivan kuten turbulenttisessa nesteessä – on yleistä kertymäkiekoissa. Määritelmän mukaan hajanainen mikroskooppinen hiukkasliike on lämpöliike, ja sellaisena suoraan suhteessa lämpötilaan. Kun törmäyshiukkasten liike muuttuu kaoottiseksi, kertymäkiekossa oleva aine kuumenee hyvin korkeisiin lämpötiloihin. Supermassiivista mustaa aukkoa ympäröivän kertymäkiekon maksimilämpötila on noin miljoona kelviniä ja tähtimustaa aukkoa ympäröivän kiekon maksimilämpötila voi olla jopa satakertainen. Vertailun vuoksi aurinkomme ytimen lämpötila on noin 15 miljoonaa Kelviniä.

fysiikassa missä on lämpöä, siellä on lämpöistä sähkömagneettista säteilyä. Jokainen kappale säteilee lämpösäteilyä – vain elin, jonka lämpötila on absoluuttinen nolla, ei olisi, mutta tällaisia elimiä ei voi olla olemassa (lisätietoja lämpösäteilystä löytyy valokeilassa aiheesta lämpö, joka kohtaa silmän). Kun ruumiinlämpö nousee, nousee myös säteilynä säteilevä energia. Mustan aukon ympärillä olevan kertymäkiekon lämpötila on tarpeeksi korkea, jotta kiekkomateriaali voi lähettää suuria määriä erittäin energisiä röntgensäteitä.

ydinkappaletta kohti putoava aine, joka muodostaa kertymäkiekon, edustaa huomattavan tehokasta tapaa tuottaa säteilyä muista energiamuodoista (tässä tapauksessa gravitaatioenergiasta). Se on noin 30 kertaa tehokkaampi kuin ydinfuusio, energiamuunnosmekanismi, joka vastaa aurinkomme ja muiden tähtien luminositeetista.

toistaiseksi yksikään tähtitieteilijä ei ole onnistunut ottamaan yksityiskohtaisia kuvia kertymävirrasta keskelle mustaa aukkoa – mikä vaatisi suurempaa resoluutiota kuin nykyiset teleskoopit pystyvät tarjoamaan. Sen sijaan astrofyysikoilla on epäsuoria tapoja testata oletuksiaan siitä, mitä tällaisen mustan aukon lähellä tapahtuu: tietokonesimulaatioista he voivat ennustaa kertymäkiekkojen spektrit – sen, miten säteilyenergia jakautuu eri taajuuksien kesken. Näillä spektreillä on selvä jälki paikallisista olosuhteista – voimakas painovoiman punasiirtymä kertoo keskuskappaleen tiiviydestä; systemaattiset Doppler-siirtymät tallentavat, miten aine liikkuu lähes valonnopeudella ympäröivässä kiekossa. Aina kun havainnot osoittavat, että sisimmälle alueelle keskittynyt massa on riittävän suuri – eikä siinä nimenomaisessa kohdassa näy valovoimaista kohdetta – on erittäin todennäköistä, että keskuskappale on musta aukko.

tästä ominaispiirteiden luettelosta tähtitieteilijöillä on selkeä käsitys siitä, mitä etsiä, ja kuten käy ilmi, yötaivaalla On todellakin kohteita, joilla on täsmälleen vaaditut ominaisuudet. Itse asiassa useiden ehdokaskohteiden kohdalla ennustamisen ja havainnoinnin välinen vastaavuus on varsin vaikuttava. Näyttää siis siltä, että universumissamme on mustia aukkoja, jotka keräävät ainetta. (Lisätietoja kyseisistä tähtitieteellisistä kohteista löytyy valokeilassa olevasta aiheesta aktiiviset mustat aukot: Ultra-hot cosmic beacons.)

lisätietoja

Colophon

Andreas Müller

on ”Sterne und Weltraumin”päätoimittaja. Hän kirjoitti osuutensa Einstein online – sivustolle ollessaan tutkijana Maan ulkopuolisen fysiikan Max Planck-instituutissa, jossa hän teki tutkimusta mustista aukoista ja niiden aiheuttamista erilaisista tähtitieteellisistä ilmiöistä.

Citation

Cite this article as:
Andreas Müller, ”Luminous disks: How black holes light up their environmentment” teoksessa: Einstein Online Band 02 (2006), 02-1010