Como o fato de que os buracos negros são muito eficientes em atrair torno importa o leva para alguns das mais espetacularmente fenômenos luminosos em todo o cosmos

Um artigo por Andreas Müller

a Gravidade resulta na atração universal entre todas as massas. Uma possível consequência disso é a acreção, o termo geral dos astrofísicos para processos em que um objeto central massivo pega matéria (“acretos”) de sua vizinhança direta. A acreção faz com que o objeto central se torne mais massivo e, portanto, cada vez melhor na coleta de matéria. Como primeiro passo para a compreensão da acreção, é útil dar uma olhada em uma pergunta mais geral: Quais são os resultados possíveis quando a matéria cai em direção a um objeto central?se o objeto central é um corpo sólido, a matéria pode cair diretamente sobre esse corpo e chegar a uma parada súbita. Este seria um exemplo de uma” barreira mecânica ” – a superfície do objeto central impede que a matéria caia mais, assim como a superfície sólida da terra nos impede de cair diretamente no centro de nosso planeta natal. Se o corpo central é um buraco negro, a matéria pode cair diretamente para o horizonte do buraco negro e para o buraco negro, para nunca mais ser vista. Em ambos os casos, a matéria dá um salto direto.

mas esta não é de modo algum a única possibilidade – na verdade, é a exceção ao invés da regra. Normalmente, a matéria estará em movimento mesmo antes de estar perto o suficiente para que o objeto central exerça uma influência significativa. A menos que este movimento seja direcionado exatamente para o objeto central – um caso especial, e, portanto, muito raro – haverá um componente do movimento lateral, e se esse componente for grande o suficiente, a matéria caindo não atingirá o objeto central, mas passará por ele.

um resultado possível de tal falha é uma órbita na qual a massa de enchimento passa perto dos objetos centrais antes de sair para o espaço, para nunca retornar (órbita livre). Outra é uma órbita fechada (ligada) na qual a massa em queda continua a se mover em torno do objeto central; exemplos bem conhecidos são os planetas em nosso sistema solar em suas órbitas ao redor do sol.

Outro exemplo de passar perto da órbita, esta um pouco mais complicado, pode ser visto na imagem abaixo, uma estrela binária do sistema consiste de uma estrela gigante, mostrado à esquerda, e um compacto estrela companheira, à direita:

A estrela gigante é tão grande que, para alguns, a questão na sua camada mais externa do envelope, a força gravitacional do pacto companheiro é maior do que a da estrela gigante em si. A matéria é puxada para o companheiro. No entanto, essa matéria não mergulha diretamente na estrela companheira porque tem movimento lateral suficiente para construir um disco de acreção. Este disco feito de material estelar orbita a estrela companheira.

momento Angular e o destino da matéria em discos de acreção

o fato de que a matéria com movimento lateral suficiente irá falhar o objeto central é devido ao que os físicos chamam de conservação do momento angular. Quando um objeto orbita uma massa central sob a influência da gravidade, as leis da mecânica fazem uma declaração clara: para o objeto em órbita, o produto de sua massa, sua distância ao corpo central e a velocidade a que ele se move em torno desse corpo – isto é, por definição, o momento angular do objeto – deve permanecer constante ao longo do tempo. Um planeta em órbita não pode mudar de rumo de repente e dirigir-se directamente para o sol. Para isso, seu momento angular teria de saltar para zero, desafiando as leis da física. (Mais sobre a conservação do momento angular pode ser encontrado no tópico Spotlight que patinadores de figuras, planetas e Estrelas de nêutrons têm em comum.)

no caso de um planeta, a conservação do momento angular leva a uma órbita regular. No caso da Estrela binária retratada acima, ela também tem um papel a desempenhar: a estrela gigante na ilustração está girando lentamente, assim como a matéria contida em suas regiões externas. Em consequência, esta matéria tem um momento angular não-zero. Este momento angular é conservado à medida que as partículas de matéria caem para o compacto companheiro para formar o disco de acreção.

a situação no disco de acreção é significativamente mais complicada do que para planetas orbitantes. As leis da mecânica decreto que a soma total de todas as partículas de matéria’ momenta angular não pode mudar ao longo do tempo, mas é perfeitamente admissível que uma partícula para transferência de partes do seu momento angular para outras partículas. Isto é chamado de transporte de momento angular. Por exemplo, Este transporte torna-se importante assim que ocorre turbulência. A turbulência é um fenômeno natural em plasmas e gases dinâmicos (bem como em fluidos). O mecanismo mais eficiente para redistribuir o momento angular envolve a matéria plasmática, na qual as diferentes partículas influenciam-se mutuamente através de campos magnéticos fracos. O resultado líquido é uma redistribuição do momento angular do interior para as regiões exteriores do disco. Durante este processo, a matéria nas regiões mais íntimas consegue perder um momento angular suficiente para ser capaz de cair sobre (ou para) o objeto central em si. Desta forma, cada vez mais matéria se acentua no objeto central. Sem a transferência angular de momento, este crescimento por acreção seria impossível.

discos luminosos

os colectores de matéria mais eficazes são os objectos mais compactos do cosmos: buracos negros. Eles são “armadilhas do espaço-tempo” perfeitas-nada que cai em um buraco negro pode Alguma vez escapar, nem mesmo a luz. Portanto, os buracos negros são tão negros quanto seu nome indica, e muito difícil para os astrônomos detectarem. No entanto, a situação muda dramaticamente uma vez que um buraco negro é “alimentado” com matéria de sua vizinhança – então, os buracos negros podem transformar seus arredores Nas regiões mais brilhantes e espetaculares do cosmos!

Existem várias maneiras para os buracos negros iluminarem a sua vizinhança cósmica. Algumas requerem circunstâncias muito especiais, mas uma é universal onde a matéria cai em um buraco negro: a produção de radiação térmica. A matéria caindo em direção a um objeto central sob a influência da gravidade se acelera para velocidades cada vez mais altas, ganhando cada vez mais energia cinética. Mas uma vez que uma partícula de matéria em queda mergulha em um disco de acreção-e possivelmente mais cedo-o movimento da partícula é perturbado. Devido a colisões frequentes entre todas as diferentes partículas, não há órbitas simples bem definidas. Em vez disso, todo o conjunto de partículas está em movimento caótico. Tal movimento caótico com eddies e instabilidades – assim como em um fluido turbulento – é comum dentro de discos de acreção. Por definição, o movimento microscópico de partículas desordenado é o movimento térmico, e como tal diretamente relacionado à temperatura. À medida que o movimento das partículas se torna caótico, a matéria no disco de acreção é aquecida a temperaturas muito altas. A temperatura máxima em um disco de acreção em torno de um buraco negro supermassivo cem vezes a massa do nosso sol será em torno de um milhão Kelvin e para o disco em torno de um buraco negro estelar, ele pode ser até um fator cem mais alto. Em comparação, a temperatura no núcleo do nosso Sol ascende a cerca de 15 milhões Kelvin.em física, onde quer que haja calor, há radiação eletromagnética térmica. Cada corpo emite radiação térmica-apenas um corpo com uma temperatura de zero absoluto não existiria, mas tais corpos não podem existir (mais informações sobre a radiação térmica podem ser encontradas no calor tópico Spotlight que encontra o olho). À medida que a temperatura de um corpo aumenta, a energia emitida na forma de radiação também aumenta. A temperatura de um disco de acreção em torno de um buraco negro é alta o suficiente para a matéria de disco emitir grandes quantidades de raios-X altamente energéticos.a matéria caindo em direção a um objeto central, formando um disco de acreção, representa uma forma eminentemente eficiente de produzir radiação de outras formas de energia (neste caso, energia gravitacional). É cerca de 30 vezes mais eficiente do que a fusão nuclear, o mecanismo de conversão de Energia Responsável pela luminosidade do nosso Sol e de outras estrelas.

até agora, nenhum astrônomo conseguiu tirar imagens detalhadas do fluxo de acreção em um buraco negro central – o que exigiria uma resolução maior do que os telescópios atuais podem fornecer. Em vez disso, os astrofísicos indireta formas de testar suas suposições sobre o que acontece perto de tal buraco negro: a Partir de simulações de computador, eles podem prever o espectro de discos de acreção – a forma como a energia da radiação é distribuída entre as diferentes frequências. Estes espectros carregam uma impressão clara das condições locais – um forte desvio gravitacional indica a compacidade do objeto central; O Doppler sistemático muda o registro de como a matéria se move a quase velocidade da luz no disco circundante. Sempre que as observações mostram que a massa concentrada na região mais interior é suficientemente alta – sem objeto luminoso visível nesse ponto específico – há uma forte probabilidade de que o objeto central seja um buraco negro.

desta lista de propriedades características, os astrônomos têm uma noção clara do que procurar, e, como acontece, há realmente objetos no céu noturno com exatamente as propriedades necessárias. Na verdade, para uma série de objetos candidatos, a correspondência entre Previsão e observação é bastante impressionante. Assim, parece que o nosso universo contém buracos negros a acreção de matéria. (Mais informações sobre os objetos astronômicos em questão podem ser encontradas no tópico Spotlight buracos negros ativos: faróis cósmicos ultra-quentes.)

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