jak fakt, że czarne dziury są bardzo skuteczne w przyciąganiu otaczającej materii prowadzi do jednych z najbardziej spektakularnych zjawisk świetlnych w całym kosmosie

artykuł Andreasa Müllera

grawitacja powoduje uniwersalne przyciąganie wszystkich mas. Jedną z możliwych konsekwencji jest akrecja, ogólne określenie astrofizyków dla procesów, w których masywny obiekt centralny odbiera materię ze swojego bezpośredniego sąsiedztwa. Akrecja powoduje, że centralny obiekt staje się bardziej masywny, a tym samym coraz lepiej zbiera materię. Jako pierwszy krok w kierunku zrozumienia akrecji warto przyjrzeć się bardziej ogólnemu pytaniu: jakie są możliwe skutki, gdy materia spada w kierunku centralnego obiektu?

spadająca Materia

Jeśli centralnym obiektem jest ciało stałe, Materia może spaść bezpośrednio na to ciało i nagle się zatrzymać. Byłby to przykład „bariery mechanicznej” – powierzchnia centralnego obiektu zapobiega dalszemu spadaniu materii, tak jak stała powierzchnia ziemi powstrzymuje nas przed spadaniem prosto do centrum naszej rodzimej planety. Jeśli centralnym ciałem jest czarna dziura, Materia może spaść bezpośrednio w kierunku horyzontu czarnej dziury i do czarnej dziury, aby nigdy więcej jej nie zobaczyć. W obu przypadkach, sprawa bierze prosto zanurzyć.

ale nie jest to bynajmniej jedyna możliwość – w rzeczywistości jest to raczej wyjątek niż reguła. Zwykle Materia będzie w ruchu nawet zanim znajdzie się wystarczająco blisko centralnego obiektu, aby wywierać znaczący nacisk. O ile ruch ten nie zostanie skierowany dokładnie w kierunku centralnego obiektu-w szczególnym przypadku, a więc bardzo rzadko-pojawi się składowa ruchu bocznego, a jeśli składnik ten będzie wystarczająco duży, spadająca materia nie uderzy w centralny obiekt, ale przejdzie obok niego.

jednym z możliwych rezultatów takiego niedomknięcia jest Orbita, na której masa falująca przechodzi blisko obiektów centralnych, zanim wyruszy w Przestrzeń Kosmiczną i nigdy nie powróci (Orbita niezwiązana). Inną jest zamknięta (związana) Orbita, po której masa spadająca nadal porusza się wokół centralnego obiektu; dobrze znanymi przykładami są planety w naszym Układzie Słonecznym na swoich orbitach wokół Słońca.

na poniższym obrazku można zobaczyć inny przykład orbity bliskiej miss, ten nieco bardziej skomplikowany-układ podwójny składający się z olbrzymiej Gwiazdy, pokazanej po lewej stronie, i zwartej Gwiazdy towarzyszącej, po prawej stronie:

gwiazda olbrzymia jest tak duża, że dla części materii w jej zewnętrznej otoczce przyciąganie grawitacyjne zwartej Gwiazdy towarzyszącej jest większe niż to, które jest samej wielkiej gwiazdy. Materia jest ciągnięta w kierunku towarzysza. Materia ta jednak nie zanurza się bezpośrednio na gwiazdę towarzyszącą, ponieważ ma ona wystarczający ruch boczny, aby zbudować tak zwany dysk akrecyjny. Ten dysk wykonany z materiału gwiezdnego okrąża gwiazdę towarzyszącą.

moment pędu i Los materii w dyskach akrecyjnych

fakt, że materia o wystarczającym ruchu bocznym ominie centralny obiekt, wynika z tego, co fizycy nazywają zachowaniem momentu pędu. Kiedy obiekt okrąża centralną masę pod wpływem grawitacji, prawa mechaniki jasno stwierdzają: w przypadku orbitującego obiektu iloczyn jego masy, odległości do ciała centralnego i prędkości, z jaką porusza się wokół tego ciała – jest to, zgodnie z definicją, moment pędu obiektu – musi pozostać stały w czasie. Orbitująca planeta nie może nagle zmienić swojego kursu i skierować się prosto w słońce. W tym celu jego moment pędu nagle musiałby skoczyć do zera, wbrew prawom fizyki. (Więcej o zachowaniu momentu pędu można znaleźć w temacie Spotlight, co mają wspólnego łyżwiarze figurowi, planety i gwiazdy neutronowe.)

w przypadku planety zachowanie momentu pędu prowadzi do regularnej orbity. W przypadku Gwiazdy binarnej na zdjęciu powyżej, ma ona również do odegrania pewną rolę: gwiazda olbrzymia na ilustracji obraca się powoli, podobnie jak materia zawarta w jej zewnętrznych regionach. W konsekwencji materia ta ma niezerowy moment pędu. Ten moment pędu jest zachowany, gdy cząstki materii spadają w kierunku zwartego towarzysza, tworząc dysk akrecyjny.

sytuacja w Dysku akrecyjnym jest znacznie bardziej skomplikowana niż w przypadku orbitujących Planet. Prawa mechaniki nakazują, że całkowita suma pędu kątowego wszystkich cząstek materii nie może się zmieniać w czasie, ale jest całkowicie dopuszczalne, aby jedna cząstka przenosiła części swojego momentu pędu na inne cząstki. Nazywa się to transportem momentu pędu. Na przykład, transport ten staje się ważny, gdy tylko pojawią się turbulencje. Turbulencja jest zjawiskiem naturalnym w dynamicznych plazmach i gazach (a także w płynach). Najskuteczniejszym mechanizmem re-dystrybucji momentu pędu jest materia plazmowa, w której różne cząstki oddziałują na siebie za pomocą słabych pól magnetycznych. Rezultatem jest redystrybucja momentu pędu z wewnętrznych do zewnętrznych regionów dysku. Podczas tego procesu materia w najbardziej wewnętrznych regionach traci wystarczająco dużo momentu pędu, aby móc wpaść na (lub do) centralny obiekt. W ten sposób coraz więcej materii akretuje się na centralny obiekt. Bez transferu momentu pędu ten wzrost przez akrecję byłby niemożliwy.

dyski świetlne

najskuteczniejszymi kolektorami materii są najbardziej zwarte obiekty w kosmosie: czarne dziury. Są doskonałymi „pułapkami czasoprzestrzennymi” – nic, co wpadnie do czarnej dziury, nie może nigdy uciec, nawet światło. Dlatego czarne dziury są rzeczywiście tak czarne, jak wskazuje na to ich nazwa i bardzo trudne do wykrycia przez astronomów. Jednak sytuacja zmienia się dramatycznie, gdy czarna dziura jest „karmiona” materią ze swojego otoczenia-wtedy czarne dziury mogą przekształcić swoje otoczenie w najjaśniejsze i najbardziej spektakularne regiony kosmosu!

istnieje kilka sposobów na to, aby czarne dziury rozświetliły swoje kosmiczne sąsiedztwo. Niektóre wymagają bardzo szczególnych okoliczności, ale jeden jest uniwersalny wszędzie tam, gdzie Materia wpada do czarnej dziury: produkcja promieniowania cieplnego. Materia opadająca w kierunku centralnego obiektu pod wpływem grawitacji ulega przyspieszeniu do coraz wyższych prędkości, zyskując coraz więcej energii kinetycznej. Ale kiedy cząstka infiltrującej materii pogrąża się w Dysku akrecyjnym-a być może wcześniej – ruch cząstki zostaje zakłócony. Ze względu na częste zderzenia między różnymi cząstkami, nie ma dobrze zdefiniowanych prostych Orbit. Zamiast tego cały zespół cząstek jest w chaotycznym ruchu. Taki chaotyczny ruch z wirami i niestabilnością – podobnie jak w burzliwym płynie-jest powszechny w dyskach akrecyjnych. Z definicji nieuporządkowany ruch mikroskopijnych cząstek jest ruchem termicznym i jako taki jest bezpośrednio związany z temperaturą. Gdy ruch falujących cząstek staje się chaotyczny, materia w Dysku akrecyjnym jest podgrzewana do bardzo wysokich temperatur. Maksymalna temperatura w Dysku akrecyjnym wokół supermasywnej czarnej dziury sto razy większa od masy naszego Słońca będzie wynosić około miliona kelwinów, a dla dysku wokół gwiazdy czarnej dziury może być nawet o 100 razy wyższa. Dla porównania, temperatura w jądrze naszego Słońca wynosi około 15 milionów kelwinów.

w fizyce wszędzie tam, gdzie jest ciepło, jest termiczne promieniowanie elektromagnetyczne. Każde ciało emituje promieniowanie cieplne – tylko ciało o temperaturze zera absolutnego nie byłoby, ale takie ciała nie mogą istnieć (więcej informacji na temat promieniowania cieplnego można znaleźć w temacie ciepło, które spotyka się z okiem). Wraz ze wzrostem temperatury ciała wzrasta również energia emitowana w postaci promieniowania. Temperatura dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury jest wystarczająco wysoka, aby Materia dysku emitowała duże ilości wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich.

Materia opadająca w kierunku centralnego obiektu, tworząca dysk akrecyjny, stanowi wybitnie efektywny sposób wytwarzania promieniowania z innych form energii (w tym przypadku energii grawitacyjnej). Jest około 30 razy bardziej wydajny niż fuzja jądrowa, mechanizm konwersji energii odpowiedzialny za jasność naszego Słońca i innych gwiazd.

do tej pory żadnemu astronomowi nie udało się wykonać szczegółowych zdjęć przepływu akrecji na centralną czarną dziurę – wymagałoby to wyższej rozdzielczości niż obecne teleskopy. Zamiast tego astrofizycy mają pośrednie sposoby testowania swoich założeń dotyczących tego, co dzieje się w pobliżu takiej czarnej dziury: na podstawie symulacji komputerowych mogą przewidzieć widma dysków akrecyjnych – sposób, w jaki energia promieniowania jest rozprowadzana między różnymi częstotliwościami. Widma Te mają wyraźny ślad lokalnych warunków – silne grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni mówi o zwartości centralnego obiektu; systematyczne przesunięcia Dopplera rejestrują, jak materia porusza się z prędkością prawie światła w otaczającym dysku. Ilekroć obserwacje pokazują, że masa skoncentrowana w najbardziej wewnętrznym obszarze jest wystarczająco wysoka-bez widocznego w tym konkretnym miejscu obiektu świetlnego – istnieje duże prawdopodobieństwo, że centralny obiekt będzie czarną dziurą.

z tej listy charakterystycznych właściwości astronomowie mają jasne pojęcie, czego szukać i, jak się okazuje, na nocnym niebie rzeczywiście istnieją obiekty o dokładnie wymaganych właściwościach. W rzeczywistości, w przypadku wielu obiektów kandydujących, zgodność między prognozowaniem a obserwacją jest imponująca. Tak więc, wydaje się, że nasz wszechświat zawiera czarne dziury akrecji materii. (Więcej informacji na temat obiektów astronomicznych można znaleźć w temacie Spotlight Active black holes: Ultra-hot cosmic beacons.)

dalsze informacje