hvordan det faktum at sorte hull er svært effektiv i å tiltrekke omkringliggende saken fører til noen av de mest spektakulært lysende fenomener i hele kosmos

en artikkel Av Andreas Mü

Gravitasjon resulterer i universell tiltrekning mellom alle massene. En mulig konsekvens av dette er accretion, astrofysikernes teppebegrep for prosesser der et massivt sentralt objekt plukker opp («accretes») materie fra sitt direkte nabolag. Akkresjon fører til at det sentrale objektet blir mer massivt, og dermed stadig bedre i å plukke opp saken. Som et første skritt mot å forstå akkresjon, er det nyttig å se på et mer generelt spørsmål: Hva er de mulige utfallene når saken faller mot et sentralt objekt?

Fallende materie

hvis det sentrale objektet er en solid kropp, kan materie falle direkte på den kroppen og komme til en plutselig stopp. Dette ville være et eksempel på en «mekanisk barriere» – det sentrale objektets overflate forhindrer at saken faller lenger, akkurat som jordens faste overflate hindrer oss i å falle rett inn i sentrum av vår hjemplanet. Hvis den sentrale kroppen er et svart hull, kan saken falle direkte mot det sorte hullets horisont og inn i det svarte hullet, aldri å bli sett igjen. I begge tilfeller, saken tar en rett stupe.

men dette er på ingen måte den eneste muligheten – faktisk er det unntaket i stedet for regelen. Vanligvis vil saken være i bevegelse selv før den er nær nok til at det sentrale objektet utøver en betydelig trekk. Med mindre denne bevegelsen er rettet nøyaktig mot det sentrale objektet-et spesielt tilfelle, og dermed svært sjeldent – vil det være en komponent av sidelengs bevegelse, og hvis den komponenten er stor nok, vil det fallende stoffet ikke treffe det sentrale objektet, men gå forbi det.

et mulig utfall av en slik nærfeil er en bane hvor den innfallende massen passerer nær de sentrale objektene før den går ut i rommet, aldri å returnere (ubundet bane). En annen er en lukket (bundet) bane hvor den innfallende massen fortsetter å bevege seg rundt det sentrale objektet; kjente eksempler er planeter i vårt solsystem på deres baner rundt solen.

Et annet eksempel på en nesten-miss – bane, denne noe mer komplisert, kan ses på bildet nedenfor-et dobbeltstjernesystem bestående av en gigantisk stjerne, vist til venstre, og en kompakt følgesvenn, til høyre:

den gigantiske stjernen er så stor at for noe av saken i sin ytre konvolutt er gravitasjonskraften til den kompakte følgesvennen større enn den andre.av den gigantiske stjernen selv. Saken er trukket mot følgesvenn. Denne materien stuper imidlertid ikke direkte ned på stjernen fordi den har tilstrekkelig sidelengs bevegelse til å bygge opp en såkalt akkresjonsskive. Denne skiven laget av stjernemateriale går i bane rundt stjernen.

Vinkelmoment og materiens skjebne i akkresjonsskiver

det faktum at materie med tilstrekkelig sidelengs bevegelse vil savne det sentrale objektet skyldes hva fysikere kaller bevaring av vinkelmoment. Når et objekt kretser en sentral masse under påvirkning av tyngdekraften, mekanikkens lover gjøre en klar uttalelse: for det bane objektet må produktet av dets masse, avstanden til det sentrale legemet og hastigheten som det beveger seg rundt det legemet – dette er, per definisjon, objektets vinkelmoment – forbli konstant over tid. En bane planet kan ikke plutselig endre kurs og hodet rett inn i solen. For det ville dets vinkelmoment plutselig måtte hoppe til null, i strid med fysikkens lover. (Mer om bevaring av vinkelmoment kan bli funnet I Spotlight-emnet Hva figurskatere, planeter og nøytronstjerner har til felles.)

i tilfelle av en planet fører bevaring av vinkelmoment til en vanlig bane. Når det gjelder dobbeltstjernen som er avbildet ovenfor, har den også en rolle å spille: kjempestjernen i illustrasjonen roterer sakte, og det gjør også saken i sine ytre områder. Følgelig har denne saken ikke-null vinkelmoment. Dette vinkelmomentet blir bevart når materiepartiklene faller mot den kompakte følgesvennen for å danne akkresjonsskiven.

situasjonen i akkresjonsskiven er betydelig mer komplisert enn for bane planeter. Mekanikkloven bestemmer at summen av alle materiepartiklers vinkelmoment ikke kan endres over tid, men det er helt tillatt for en partikkel å overføre deler av sin vinkelmoment til andre partikler. Dette kalles vinkelmomenttransport. For eksempel blir denne transporten viktig så snart turbulens oppstår. Turbulens er et naturlig fenomen i dynamiske plasma og gasser (så vel som i væsker). Den mest effektive mekanismen for å omfordele drivmomentet innebærer plasmamateriale, hvor de forskjellige partiklene påvirker hverandre via svake magnetfelt. Nettoresultatet er en omfordeling av vinkelmomentet fra det indre inn i de ytre områdene av disken. Under denne prosessen klarer saken i de innerste områdene å kaste nok vinkelmoment for å kunne falle på (eller inn i) selve sentralobjektet. På denne måten accretes mer og mer materie på det sentrale objektet. Uten vinkelmomentoverføring ville denne veksten ved akkresjon være umulig.

Lysende disker

de mest effektive samlerne av materie er de mest kompakte gjenstandene i kosmos: svarte hull. De er perfekte » spacetime feller – – ingenting som faller inn i et svart hull kan noensinne unnslippe, ikke engang lys. Derfor er sorte hull faktisk så svarte som navnet antyder, og svært vanskelig for astronomer å oppdage. Situasjonen endres imidlertid dramatisk når et svart hull er «matet» med materie fra sin nærhet-da kan svarte hull forvandle omgivelsene til de lyseste og mest spektakulære områdene i kosmos!

det er flere måter for sorte hull å lyse opp deres kosmiske nabolag. Noen krever svært spesielle forhold, men en er universell hvor saken faller inn i et svart hull: produksjon av termisk stråling. Matter som faller mot et sentralt objekt under påvirkning av tyngdekraften blir akselerert til høyere og høyere hastigheter, og får mer og mer kinetisk energi. Men når en partikkel av innfallende materie faller inn i en akkresjonsskive – og muligens tidligere-blir partikkelens bevegelse forstyrret. På grunn av hyppige kollisjoner mellom alle de forskjellige partiklene, er det ingen veldefinerte enkle baner. I stedet er hele ensemblet av partikler i kaotisk bevegelse. En slik kaotisk bevegelse med virvler og ustabiliteter – akkurat som i en turbulent væske – er vanlig innenfor akkresjonsskiver. Per definisjon er uordnet mikroskopisk partikkelbevegelse termisk bevegelse, og som sådan direkte relatert til temperatur. Etter hvert som de innfallende partikkelenes bevegelse blir kaotisk, blir materien i akkresjonsskiven oppvarmet til svært høye temperaturer. Den maksimale temperaturen i en akkresjonsskive rundt et supermassivt svart hull hundre ganger massen av vår sol vil være rundt en million Kelvin, og for disken rundt et sterkt svart hull kan det være opptil en faktor hundre høyere. Til sammenligning utgjør temperaturen i kjernen av vår sol ca 15 millioner Kelvin.

i fysikk, hvor det er varme, er det termisk elektromagnetisk stråling. Hver kropp avgir termisk stråling-bare en kropp med en temperatur på absolutt null ville ikke, men slike legemer kan ikke eksistere (mer informasjon om termisk stråling finnes i Spotlight-Emnet Varme som møter øyet). Som en kroppstemperatur øker, så gjør energien slippes ut i form av stråling. Temperaturen på en akkresjonsskive rundt et svart hull er høy nok til at diskstoffet kan avgi store mengder svært energiske Røntgenstråler.Materie som faller mot et sentralt objekt, danner en akkresjonsskive, representerer en svært effektiv måte å produsere stråling fra andre former for energi (i dette tilfellet gravitasjonsenergi). Det er omtrent 30 ganger mer effektivt enn atomfusjon, energikonverteringsmekanismen som er ansvarlig for lysstyrken til vår sol og andre stjerner.foreløpig har ingen astronom klart å ta detaljerte bilder av akkresjonsstrømmen på et sentralt svart hull – det ville kreve en høyere oppløsning enn dagens teleskoper kan gi. I stedet har astrofysikere indirekte måter å teste sine forutsetninger om hva som skjer i nærheten av et slikt svart hull: fra datasimuleringer kan de forutsi spektrene av akkresjonsskiver – måten strålingsenergien fordeles mellom de forskjellige frekvensene. Disse spektrene bærer et klart avtrykk av de lokale forholdene – en sterk gravitasjonell rødforskyvning forteller om det sentrale objektets kompaktitet; systematiske Doppler-skift registrerer hvordan materie beveger seg med nesten lysets hastighet i den omkringliggende disken. Når observasjoner viser at massen konsentrert i den innerste regionen er høy nok-uten lysende objekt synlig på det aktuelle stedet – er det stor sannsynlighet for at det sentrale objektet er et svart hull.

fra denne listen over karakteristiske egenskaper har astronomer en klar oppfatning av hva de skal se etter, og som det viser seg, er det faktisk objekter i natthimmelen med nøyaktig de nødvendige egenskapene. Faktisk, for en rekke kandidatobjekter, er kampen mellom prediksjon og observasjon ganske imponerende. Dermed ser det ut til at vårt univers inneholder sorte hull som samler materie. (Mer informasjon om de aktuelle astronomiske objektene finnes i Spotlight-emnet Aktive sorte hull: Ultra-varme kosmiske beacons.)

Ytterligere Informasjon