ブラックホールが周囲の物質を引き付けるのに非常に効率的であるという事実は、宇宙全体で最も見事に発光する現象のいくつかにつながる方法

Andreas Müllerによる記事

重力はすべての質量の間で普遍的な引力をもたらします。 これの一つの可能な結果は、大規模な中心オブジェクトがその直接の近傍から物質（”降着”）を拾うプロセスのための天体物理学者の包括的な用語である降着である。 降着により、中心の物体はより巨大になり、それゆえに物質を拾い上げるのがより良くなります。 降着を理解するための第一歩として、より一般的な質問を見てみると便利です：物質が中心的な物体に向かって落ちるときの可能な結果は何ですか？

落下する物質

中心の物体が固体であれば、物質はその物体に直接落ちて突然停止することがあります。 これは”機械的障壁”の例になります–地球の固体表面が私たちの故郷の惑星の中心に落ちるのを防ぐのと同じように、中央の物体の表面は物質がそれ 中心体がブラックホールであれば、物質はブラックホールの地平線に向かってブラックホールに直接落ちることができ、二度と見ることはできません。 どちらの場合も、問題はまっすぐな突進を取る。しかし、これは決して唯一の可能性ではありません–実際には、それはルールではなく例外です。

しかし、これは決して唯一の可能性ではありません。

通常、物質は、中心の物体がかなりの引っ張りを発揮するのに十分に近い前でさえも動いています。 この動きが中央の物体に正確に向けられていない限り–特別なケース、したがって非常にまれな–横方向の動きの成分があり、その成分が十分に大きければ、落下する物質は中央の物体に当たるのではなく、それを通過するでしょう。

このようなニアミスの可能性のある結果の一つは、落下質量が宇宙に出る前に中央の物体の近くを通過し、決して戻らない軌道（結合されていない軌道）である。 よく知られている例は、太陽の周りの軌道上の私たちの太陽系の惑星です。

ニアミス軌道のもう一つの例は、このやや複雑な、下の画像で見ることができます-左に示す巨大な星と右にコンパクトな伴星からなる連星系：

巨大な星は、その外側のエンベロープ内の物質のいくつかのために、コンパクトな伴星の引力は、その外側のエンベロープ内の物質の重力よりも大きいほど大きいです。巨大な星そのもの。 物質は仲間に向かって引っ張られます。 しかし、その物質は、いわゆる降着円盤を構築するのに十分な横方向の動きを持っているので、伴星に直接突入することはありません。 恒星の材料で作られたこの円盤は、伴星を周回しています。

角運動量と降着円盤における物質の運命

十分な横運動を持つ物質が中心物体を逃すという事実は、物理学者が角運動量の保存と呼ぶもの 物体が重力の影響下で中心質量を周回するとき、力学の法則は明確な声明を出す: 周回する物体の場合、その質量、中心体までの距離、およびその物体の周りを移動する速度（これは定義ごとに、物体の角運動量である）の積は、時間の経過 公転している惑星は、突然、その進路を変えて、まっすぐに太陽に向かうことができません。 そのためには、その角運動量は、物理学の法則に反して、突然ゼロにジャンプする必要があります。 （角運動量の保存についての詳細は、フィギュアスケーター、惑星、中性子星が共通しているものをスポットライトのトピックで見つけることができます。)

惑星の場合、角運動量の保存は規則的な軌道につながります。 上に描かれた連星の場合、それは同様に果たすべき役割を持っています：図の巨大な星はゆっくりと回転しており、その外側の領域に含まれる物質も 結果として、この問題は非ゼロ角運動量を有する。 この角運動量は，物質粒子がコンパクトコンパニオンに向かって落下して降着円盤を形成するときに保存される。

降着円盤の状況は、周回する惑星よりもはるかに複雑です。 力学の法則は、すべての物質粒子の角運動量の総和は時間の経過とともに変化することはできませんが、ある粒子が角運動量の一部を他の粒子に移 これは角運動量輸送と呼ばれます。 例えば、乱流が発生するとすぐにこの輸送が重要になります。 乱流は、力学的なプラズマや気体（ならびに流体）における自然現象である。 角運動量を再分配する最も効率的なメカニズムは、異なる粒子が弱い磁場を介して互いに影響を与えるプラズマ物質を含む。 最終的な結果は、円板の内側から外側の領域への角運動量の再分布である。 このプロセスの間に、最も内側の領域の物質は、中央の物体自体に（または中に）落ちることができるのに十分な角運動量を流すことができます。 このようにして、より多くの物質が中央の物体に付着する。 角運動量移動がなければ、降着によるこの成長は不可能であろう。

発光ディスク

物質の最も効果的なコレクターは、宇宙で最もコンパクトなオブジェクトです：ブラックホール。 彼らは完璧な”時空の罠”です–ブラックホールに落ちるものは何も逃げることができず、光さえも逃げることはできません。 したがって、ブラックホールは実際にその名前が示すように黒く、天文学者が検出することは非常に困難です。 しかし、ブラックホールがその周辺から物質を”供給”されると、状況は劇的に変化します。

ブラックホールが宇宙の近傍を明るくするには、いくつかの方法があります。 いくつかは非常に特別な状況を必要としますが、物質がブラックホールに落ちるところはどこでも普遍的です：熱放射の生成。 重力の影響下で中心物体に向かって落下する物質は、より多くの運動エネルギーを獲得し、より高い速度に加速されます。 しかし、落下する物質の粒子が降着円盤に突入すると、おそらくそれ以前に粒子の動きが乱されます。 すべての異なる粒子間の頻繁な衝突のために、明確に定義された単純な軌道はありません。 代わりに、粒子のアンサンブル全体が混沌とした動きをしています。 乱流流体のように、渦と不安定性を伴うこのような混沌とした運動は、降着円盤内では一般的です。 定義上、無秩序な微視的粒子運動は熱運動であり、そのようなものとして温度に直接関連している。 落下する粒子の運動がカオス的になるにつれて、降着円盤内の物質は非常に高い温度に加熱される。 私たちの太陽の100倍の質量の超大質量ブラックホールの周りの降着円盤の最高温度は約100万ケルビンになり、恒星ブラックホールの周りの円盤のために、それは最大100倍高くなる可能性があります。 比較すると、私たちの太陽のコアの温度は約1500万ケルビンになります。

物理学では、熱があるところはどこでも、熱電磁放射があります。 すべての体は熱放射を放出します–絶対零度の温度を持つ体だけは存在しませんが、そのような体は存在することはできません（熱放射に関するさら 体の温度が上昇するにつれて、放射線の形で放出されるエネルギーもそうです。 ブラックホールの周りの降着円盤の温度は、円盤物質が高エネルギーのX線を大量に放出するのに十分高い。

降着円盤を形成する中心物体に向かって落下する物質は、他の形態のエネルギー（この場合は重力エネルギー）から放射を生成する非常に効率的な方 これは、私たちの太陽や他の星の光度を担うエネルギー変換メカニズムである核融合よりも約30倍効率的です。

現在のところ、中央のブラックホールへの降着流の詳細な画像を撮影する天文学者はいません。 代わりに、天体物理学者は、そのようなブラックホールの近くで何が起こるかについての彼らの仮定をテストする間接的な方法を持っています：コンピ これらのスペクトルは、局所的な条件の明確なインプリントを運ぶ–強い重力赤方偏移は、中央のオブジェクトのコンパクトさを伝えます;系統的なドップラーシフトは、物質が周囲のディスク内の光の速度に近い速度で移動する方法を記録します。 観測では、最も内側の領域に集中している質量が十分に高く、その特定の場所に明るい物体が見えないことが示されるたびに、中心の物体がブラックホールである可能性が強い。

この特徴的な特性のリストから、天文学者は何を探すべきかを明確に考えており、結局のところ、夜空には正確に必要な特性を持つ物体が実際に 実際には、候補オブジェクトの数のために、予測と観測の間の一致は非常に印象的です。 したがって、私たちの宇宙には物質を降着させるブラックホールが含まれているように見えます。 （問題の天体の詳細については、SpotlightトピックActive black holes:Ultra-hot cosmic beaconsで見つけることができます。)

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