How the fact that black holes are very efficient in ATTRACTION surround matter leads to some of the most spectacularly luminous phenomena in the whole of the cosmos

een artikel van Andreas Müller

zwaartekracht resulteert in universele aantrekkingskracht tussen alle massa’ s. Een mogelijk gevolg hiervan is accretie, de algemene term van astrofysici voor processen waarbij een massief centraal object materie uit zijn directe omgeving opneemt (“accreteert”). Accretie zorgt ervoor dat het centrale object massiever wordt, en dus steeds beter in het opnemen van materie. Als eerste stap naar het begrijpen van accretie, is het nuttig om een meer algemene vraag te bekijken: wat zijn de mogelijke uitkomsten wanneer materie naar een centraal object valt?

vallende materie

als het centrale object een vast lichaam is, kan materie direct op dat lichaam vallen en plotseling tot stilstand komen. Dit zou een voorbeeld zijn van een” mechanische barrière ” – het oppervlak van het centrale object voorkomt dat materie verder valt, net zoals het vaste oppervlak van de aarde ons ervan weerhoudt om recht in het centrum van onze thuisplaneet te vallen. Als het centrale lichaam een zwart gat is, kan materie direct naar de horizon van het zwarte gat vallen en in het zwarte gat vallen, om nooit meer te worden gezien. In beide gevallen neemt de materie een rechte duik.

maar dit is geenszins de enige mogelijkheid – in feite is het eerder de uitzondering dan de regel. Meestal zal materie in beweging zijn zelfs voordat het dicht genoeg is voor het centrale object om een significante aantrekkingskracht uit te oefenen. Tenzij deze beweging precies gericht is op het centrale object – een speciaal geval, en dus zeer zeldzaam – zal er een component van zijwaartse beweging zijn, en als die component groot genoeg is, zal de vallende materie het centrale object niet raken, maar er voorbij gaan.

een mogelijke uitkomst van zo ‘ n bijna-misser is een baan waarbij de aanvallende massa dicht bij de centrale objecten passeert alvorens de ruimte in te gaan en nooit meer terugkeert (ongebonden Baan). Een andere is een gesloten (gebonden) baan waarin de vernietigende massa blijft bewegen rond het centrale object; bekende voorbeelden zijn de planeten in ons zonnestelsel op hun banen rond de zon.

een ander voorbeeld van een bijna-miss Baan, dit iets ingewikkelder, kan worden gezien in de afbeelding hieronder – een dubbelstersysteem bestaande uit een reuzenster, aan de linkerkant, en een compacte metgezelster, aan de rechterkant:

De reuzenster is zo groot dat Voor een deel van de materie in zijn buitenste omhulsel de zwaartekracht van de compacte metgezel groter is dan dat van de reuzenster zelf. Materie wordt naar de metgezel getrokken. Deze materie valt echter niet direct op de metgezelster omdat deze voldoende zijwaartse beweging heeft om een zogenaamde accretieschijf op te bouwen. Deze schijf van stellair materiaal draait om de metgezelster.

impulsmoment en het lot van materie in accretieschijven

het feit dat materie met voldoende zijwaartse beweging het centrale object mist is te wijten aan wat natuurkundigen het behoud van impulsmoment noemen. Wanneer een object om een centrale massa draait onder invloed van de zwaartekracht, maken de wetten van de mechanica een duidelijke verklaring: voor het omcirkelende object moet het product van zijn massa, zijn Afstand tot het centrale lichaam en de snelheid waarmee het rond dat lichaam beweegt – dit is per definitie het impulsmoment van het object – constant blijven in de tijd. Een ronddraaiende planeet kan niet plotseling van koers veranderen en recht de zon in gaan. Daarvoor zou zijn impulsmoment plotseling naar nul moeten springen, in strijd met de wetten van de fysica. (Meer over het behoud van impulsmoment is te vinden in het Spotlight-onderwerp wat figuurschaatsers, planeten en neutronensterren met elkaar gemeen hebben.)

in het geval van een planeet leidt het behoud van impulsmoment tot een regelmatige Baan. In het geval van de hierboven afgebeelde dubbelster speelt deze ook een rol: de reuzenster in de afbeelding draait langzaam, en dat geldt ook voor de materie die zich in zijn buitenste gebieden bevindt. Bijgevolg heeft deze zaak een niet-nul impulsmoment. Dit impulsmoment wordt behouden aangezien de materiedeeltjes naar de compacte metgezel vallen om de accretieschijf te vormen.

de situatie in de accretieschijf is aanzienlijk ingewikkelder dan bij planeten in een baan. De wetten van de mechanica bepalen dat de totale som van het hoekmoment van alle materiedeeltjes niet in de loop van de tijd kan veranderen, maar het is volkomen toegestaan dat een deeltje delen van zijn hoekmoment naar andere deeltjes overbrengt. Dit heet impulsmomenttransport. Dit transport wordt bijvoorbeeld belangrijk zodra er turbulentie optreedt. Turbulentie is een natuurlijk fenomeen in dynamische plasma ‘ s en gassen (evenals in vloeistoffen). Het meest efficiënte mechanisme om het impulsmoment te herverdelen is plasmamaterie, waarbij de verschillende deeltjes elkaar via zwakke magnetische velden beïnvloeden. Het nettoresultaat is een herverdeling van het impulsmoment van het binnenste naar de buitenste gebieden van de schijf. Tijdens dit proces slaagt de materie in de binnenste regionen erin om voldoende impulsmoment af te werpen om op (of in) het centrale object zelf te kunnen vallen. Op deze manier accreteert steeds meer materie op het centrale object. Zonder impulsmomentoverdracht zou deze groei door accretie onmogelijk zijn.

Luminous disks

de meest effectieve verzamelaars van materie zijn de meest compacte objecten in de kosmos: zwarte gaten. Ze zijn perfecte ” ruimtetijdvallen – – niets dat in een zwart gat valt kan ooit ontsnappen, zelfs niet licht. Daarom zijn zwarte gaten inderdaad zo zwart als hun naam al aangeeft, en erg moeilijk te detecteren voor astronomen. Echter, de situatie verandert dramatisch zodra een zwart gat wordt “gevoed” met materie uit zijn omgeving – dan kunnen zwarte gaten hun omgeving transformeren in de helderste en meest spectaculaire gebieden van de kosmos!

Er zijn verschillende manieren waarop zwarte gaten hun kosmische omgeving kunnen verlichten. Sommige vereisen zeer speciale omstandigheden, maar één is universeel waar materie in een zwart gat valt: de productie van thermische straling. Materie die naar een centraal object valt onder invloed van de zwaartekracht wordt versneld naar hogere en hogere snelheden, en krijgt steeds meer kinetische energie. Maar zodra een deeltje van doordringende materie in een accretieschijf stort-en mogelijk eerder-wordt de beweging van het deeltje verstoord. Door frequente botsingen tussen alle verschillende deeltjes, zijn er geen goed gedefinieerde eenvoudige banen. In plaats daarvan is het geheel van deeltjes in chaotische beweging. Een dergelijke chaotische beweging met draaikolken en instabiliteiten – net als in een turbulente vloeistof – is gemeengoed binnen accretieschijven. Per definitie, wanordelijke microscopische deeltjesbeweging is thermische beweging, en als zodanig direct gerelateerd aan temperatuur. Als de beweging van de deeltjes chaotisch wordt, wordt de materie in de accretieschijf verwarmd tot zeer hoge temperaturen. De maximale temperatuur in een accretieschijf rond een superzwaar zwart gat honderd keer de massa van onze zon zal ongeveer een miljoen Kelvin zijn en voor de schijf rond een stellair zwart gat, kan deze tot een factor honderd hoger zijn. Ter vergelijking, de temperatuur in de kern van onze zon bedraagt ongeveer 15 miljoen Kelvin.

in de natuurkunde is er, waar warmte is, thermische elektromagnetische straling. Elk lichaam zendt thermische straling-alleen een lichaam met een temperatuur van absoluut nul zou niet, maar dergelijke lichamen kunnen niet bestaan (meer informatie over thermische straling kan worden gevonden in de Spotlight onderwerp warmte die het oog ontmoet). Naarmate de lichaamstemperatuur stijgt, stijgt ook de energie die in de vorm van straling wordt uitgestraald. De temperatuur van een accretieschijf rond een zwart gat is hoog genoeg voor de schijf materie om grote hoeveelheden zeer energetische röntgenstralen uit te zenden.

materie die naar een centraal object valt en een accretieschijf vormt, is een zeer efficiënte manier om straling van andere vormen van energie te produceren (in dit geval gravitatieenergie). Het is ongeveer 30 keer efficiënter dan kernfusie, het energieomzettingsmechanisme dat verantwoordelijk is voor de helderheid van onze zon en andere sterren.

tot op heden is geen enkele astronoom erin geslaagd om gedetailleerde beelden te maken van de accretiestroom naar een centraal zwart gat – dat zou een hogere resolutie vereisen dan de huidige telescopen kunnen bieden. In plaats daarvan hebben astrofysici indirecte manieren om hun veronderstellingen te testen over wat er gebeurt in de buurt van een dergelijk zwart gat: door computersimulaties kunnen ze de spectra van accretieschijven voorspellen – de manier waarop de stralingsenergie wordt verdeeld over de verschillende frequenties. Deze spectra dragen een duidelijke afdruk van de lokale omstandigheden – een sterke gravitationele roodverschuiving vertelt over de compactheid van het centrale object; systematische dopplerverschuivingen registreren hoe materie beweegt met bijna de snelheid van het licht in de omringende schijf. Wanneer waarnemingen aantonen dat de massa geconcentreerd in het binnenste gebied hoog genoeg is – zonder dat er een lichtgevend object zichtbaar is op die specifieke plek – is de kans groot dat het centrale object een zwart gat is.

uit deze lijst van karakteristieke eigenschappen hebben astronomen een duidelijk begrip van wat ze moeten zoeken, en, zoals blijkt, zijn er inderdaad objecten aan de nachtelijke hemel met precies de vereiste eigenschappen. In feite is voor een aantal kandidaat-objecten de match tussen voorspelling en observatie vrij indrukwekkend. Het lijkt er dus op dat ons universum zwarte gaten bevat die materie aanwakkeren. (Meer informatie over de astronomische objecten in kwestie is te vinden in het Spotlight onderwerp actieve zwarte gaten: Ultra-hete kosmische bakens.)

verdere informatie