hogyan vezet az a tény, hogy a fekete lyukak nagyon hatékonyak a környező anyag vonzásában a leglátványosabban világító jelenségekhez az egész kozmoszban

Andreas M. cikke a gravitáció univerzális vonzerőt eredményez az összes tömeg között. Ennek egyik lehetséges következménye a felhalmozódás, az asztrofizikusok általános kifejezése azokra a folyamatokra, amelyekben egy hatalmas központi tárgy felveszi (“felhalmozódik”) az anyagot közvetlen szomszédságából. A felhalmozódás hatására a központi tárgy masszívabbá válik, és ezáltal egyre jobban felveszi az anyagot. A felhalmozódás megértése felé vezető első lépésként hasznos egy általánosabb kérdést megvizsgálni: mik a lehetséges eredmények, ha az anyag egy központi tárgy felé esik?

hulló anyag

Ha a központi tárgy szilárd test, az anyag közvetlenül a testre eshet, és hirtelen megáll. Ez egy példa a “mechanikus akadályra” – a központi objektum felszíne megakadályozza az anyag további leesését, csakúgy, mint a föld szilárd felülete megakadályozza, hogy közvetlenül a bolygónk középpontjába essünk. Ha a központi test egy fekete lyuk, az anyag közvetlenül a fekete lyuk horizontja felé eshet, és a fekete lyukba eshet, soha többé nem látható. Mindkét esetben az anyag egyenesen merül.

de ez egyáltalán nem az egyetlen lehetőség – valójában inkább kivétel, mint szabály. Általában az anyag mozgásban lesz, még mielőtt elég közel lenne ahhoz, hogy a központi tárgy jelentős húzást gyakoroljon. Hacsak ez a mozgás nem pontosan a központi tárgy felé irányul – ez egy különleges eset, és így nagyon ritka -, akkor az oldalirányú mozgásnak lesz egy összetevője, és ha ez a komponens elég nagy, akkor a lehulló anyag nem éri el a központi tárgyat, hanem elhalad mellette.

egy ilyen közeli kihagyás egyik lehetséges eredménye egy olyan pálya, amelyen a beeső tömeg a központi objektumok közelében halad, mielőtt elindulna az űrbe, soha nem tér vissza (nem kötött pálya). A másik egy zárt (kötött) pálya, amelyen a beeső tömeg tovább mozog a központi objektum körül; jól ismert példák a naprendszerünk bolygói a Nap körüli pályájukon.

az alábbi képen látható egy másik példa a miss-közeli pályára, ez valamivel bonyolultabb, az alábbi képen látható – egy bináris csillagrendszer, amely egy óriás csillagból áll, a bal oldalon látható, és egy kompakt társcsillagból, a jobb oldalon:

az óriáscsillag olyan nagy, hogy a külső borítékában lévő anyag egy része esetében a kompakt Társ gravitációs vonzása nagyobb, mint a maga az óriáscsillag. Az anyag a társ felé húzódik. Ez az anyag azonban nem merül közvetlenül a társcsillagra, mert elegendő oldalirányú mozgással rendelkezik egy úgynevezett akkréciós lemez felépítéséhez. Ez a csillaganyagból készült lemez kering a társcsillag körül.

Szögimpulzus és az anyag sorsa az akkumulációs korongokban

az a tény, hogy az anyag elegendő oldalirányú mozgással hiányzik a központi objektumról, annak köszönhető, amit a fizikusok a szögimpulzus megőrzésének neveznek. Amikor egy tárgy a gravitáció hatására kering egy központi tömeg körül, a mechanika törvényei egyértelmű nyilatkozatot tesznek: a keringő tárgy esetében a tömegének szorzata, a központi testtől való távolsága és a sebesség, amellyel a test körül mozog – ez definíció szerint az objektum szögimpulzusa – az idő múlásával állandónak kell maradnia. Egy keringő bolygó nem tud hirtelen irányt változtatni és egyenesen a nap felé menni. Ehhez szögimpulzusának hirtelen nullára kell ugrania, a fizika törvényeinek ellenére. (A szögimpulzus megőrzéséről bővebben a reflektorfényben olvashat arról, hogy mi a közös a műkorcsolyázókban, a bolygókban és a neutroncsillagokban.)

egy bolygó esetében a szögimpulzus megőrzése szabályos pályához vezet. A fenti képen látható bináris csillag esetében is szerepet játszik: az ábrán látható óriáscsillag lassan forog, ugyanúgy, mint a külső régióiban található anyag. Ennek következtében ez a kérdés nem nulla szögimpulzus. Ez a szögimpulzus megmarad, amikor az anyagrészecskék a kompakt Társ felé esnek, hogy kialakuljon az akkumulációs korong.

az akkumulációs lemez helyzete lényegesen bonyolultabb, mint a bolygók keringése esetén. A mechanika törvényei előírják, hogy az összes anyagrészecske szögpillanatának teljes összege nem változhat az idő múlásával, de tökéletesen megengedett, hogy egy részecske szögimpulzusának egy részét más részecskékre továbbítsa. Ezt nevezzük szögimpulzus-transzportnak. Például ez a szállítás akkor válik fontossá, amikor turbulencia lép fel. A turbulencia természetes jelenség a dinamikus plazmákban és gázokban (valamint a folyadékokban). A szögimpulzus újraelosztásának leghatékonyabb mechanizmusa a plazmaanyag, amelyben a különböző részecskék gyenge mágneses mezőkön keresztül befolyásolják egymást. A nettó eredmény a szögimpulzus újraelosztása a lemez belső részéből a külső régiókba. E folyamat során a legbelső régiók anyagának elegendő szögimpulzust sikerül leadnia ahhoz, hogy magára a központi tárgyra (vagy bele) eshessen. Ily módon egyre több anyag halmozódik fel a központi tárgyra. Szögimpulzus átvitel nélkül ez a növekedés felhalmozódással lehetetlen lenne.

világító lemezek

Az anyag leghatékonyabb gyűjtői a kozmosz legkompaktabb tárgyai: fekete lyukak. Ezek tökéletes “téridő csapdák” – semmi, ami egy fekete lyukba esik, soha nem tud menekülni, még a fény sem. Ezért a fekete lyukak valóban olyan feketék, mint a nevük jelzi, és a csillagászok számára nagyon nehéz észlelni. A helyzet azonban drámaian megváltozik, amint egy fekete lyukat “táplálnak” a környezetéből származó anyaggal – akkor a fekete lyukak a kozmosz legfényesebb és leglátványosabb régióivá alakíthatják környezetüket!

számos módja van annak, hogy a fekete lyukak megvilágítsák kozmikus szomszédságukat. Egyesek nagyon különleges körülményeket igényelnek, de az egyik univerzális, ahol az anyag fekete lyukba esik: a hősugárzás előállítása. A gravitáció hatására egy központi tárgy felé eső anyag egyre nagyobb sebességre gyorsul, egyre több kinetikus energiát nyer. De amint a beömlő anyag egy részecskéje egy felhalmozódó korongba merül-esetleg korábban -, a részecske mozgása zavart. A különböző részecskék közötti gyakori ütközések miatt nincsenek jól definiált egyszerű pályák. Ehelyett a részecskék egész együttese kaotikus mozgásban van. Az ilyen kaotikus mozgás örvényekkel és instabilitásokkal – csakúgy, mint egy turbulens folyadékban-mindennapos az akkumulációs lemezeken belül. Definíció szerint a rendezetlen mikroszkopikus részecskemozgás termikus mozgás, és mint ilyen, közvetlenül kapcsolódik a hőmérséklethez. Amint a beeső részecskék mozgása kaotikussá válik, az akkumulációs korongban lévő anyag nagyon magas hőmérsékletre melegszik. A Nap tömegének százszorosa egy szupermasszív fekete lyuk körüli akkumulációs korong maximális hőmérséklete körülbelül egymillió Kelvin lesz, a csillag fekete lyuk körüli korong esetében pedig akár százszor is magasabb lehet. Összehasonlításképpen, a nap magjának hőmérséklete körülbelül 15 millió Kelvin.

a fizikában, ahol hő van, termikus elektromágneses sugárzás van. Minden test hősugárzást bocsát ki-csak egy abszolút nulla hőmérsékletű test nem létezne, de ilyen testek nem létezhetnek (a hősugárzásról További információ található a reflektorfényben téma hő, amely megfelel a szemnek). A test hőmérsékletének növekedésével a sugárzás formájában kibocsátott energia is növekszik. A fekete lyuk körüli akkumulációs korong hőmérséklete elég magas ahhoz, hogy a korong anyaga nagy mennyiségű nagy energiájú röntgensugarat bocsásson ki.

a központi tárgy felé eső anyag, amely egy akkréciós korongot képez, kiemelkedően hatékony módja annak, hogy más energiaformákból (ebben az esetben gravitációs energiából) sugárzást állítson elő. Körülbelül 30-szor hatékonyabb, mint a magfúzió, az energiaátalakító mechanizmus, amely a napunk és más csillagok fényességéért felelős.

eddig egyetlen csillagásznak sem sikerült részletes képeket készítenie a központi fekete lyukba történő felhalmozódásról – ez nagyobb felbontást igényelne, mint amit a jelenlegi távcsövek képesek biztosítani. Ehelyett az asztrofizikusok közvetett módon tesztelik feltételezéseiket arról, hogy mi történik az ilyen fekete lyuk közelében: számítógépes szimulációkból megjósolhatják az akkumulációs lemezek spektrumát – a sugárzási energia eloszlását a különböző frekvenciák között. Ezek a spektrumok egyértelmű lenyomatot hordoznak a helyi viszonyokról-egy erős gravitációs vöröseltolódás a központi objektum tömörségéről szól; a szisztematikus Doppler-eltolódások rögzítik, hogy az anyag hogyan mozog a környező korong fénysebességével. Amikor a megfigyelések azt mutatják, hogy a legbelső régióban koncentrált tömeg elég magas – az adott helyen nem látható fényes tárgy–, nagy a valószínűsége annak, hogy a központi tárgy fekete lyuk legyen.

ebből a jellegzetes tulajdonságok listájából a csillagászok világos képet kapnak arról, hogy mit kell keresni, és mint kiderült, az éjszakai égbolton valóban vannak olyan tárgyak, amelyek pontosan a szükséges tulajdonságokkal rendelkeznek. Valójában számos jelölt objektum esetében az előrejelzés és a megfigyelés közötti mérkőzés meglehetősen lenyűgöző. Így úgy tűnik, hogy univerzumunk tartalmaz fekete lyukakat, amelyek felhalmozzák az anyagot. (További információ a szóban forgó csillagászati tárgyakról a reflektorfényben található aktív fekete lyukak: Ultra-forró kozmikus jelzők.)

további információk