Cum faptul că găurile negre sunt foarte eficiente în atragerea materiei înconjurătoare duce la unele dintre cele mai spectaculoase fenomene luminoase din întregul cosmos

un articol de Andreas m Okticller

gravitația are ca rezultat atracția universală între toate masele. O posibilă consecință a acestui fapt este acreția, termenul general al astrofizicienilor pentru procesele în care un obiect central masiv preia („accretează”) materia din vecinătatea sa directă. Acumularea face ca obiectul central să devină mai masiv și, prin urmare, tot mai bun în preluarea materiei. Ca prim pas spre înțelegerea acumulării, este util să aruncăm o privire la o întrebare mai generală: care sunt rezultatele posibile atunci când materia cade spre un obiect central?

Materia care cade

dacă obiectul central este un corp solid, Materia poate cădea direct pe acel corp și se poate opri brusc. Acesta ar fi un exemplu de” barieră mecanică ” – suprafața obiectului Central împiedică Materia să cadă mai departe, la fel cum suprafața solidă a pământului ne împiedică să cădem chiar în centrul planetei noastre de origine. Dacă corpul central este o gaură neagră, Materia poate cădea direct spre orizontul găurii negre și în gaura neagră, pentru a nu mai fi văzută niciodată. În ambele cazuri, materia face o plonjare dreaptă.

dar aceasta nu este în niciun caz singura posibilitate – de fapt, este mai degrabă excepția decât regula. De obicei, Materia va fi în mișcare chiar înainte de a fi suficient de aproape pentru ca obiectul central să exercite o atracție semnificativă. Cu excepția cazului în care această mișcare este îndreptată exact spre obiectul central – un caz special și, prin urmare, foarte rar – va exista o componentă a mișcării laterale și, dacă acea componentă este suficient de mare, materia care cade nu va lovi obiectul central, ci va trece peste el.

un posibil rezultat al unei astfel de ratări apropiate este o orbită pe care masa în cădere trece aproape de obiectele centrale înainte de a ieși în spațiu, pentru a nu se mai întoarce niciodată (orbită nelegată). O alta este o orbită închisă (legată) pe care masa în cădere continuă să se deplaseze în jurul obiectului central; exemple bine cunoscute sunt planetele din sistemul nostru solar pe orbitele lor în jurul Soarelui.

Un alt exemplu de orbită aproape ratată, aceasta ceva mai complicată, poate fi văzut în imaginea de mai jos-un sistem stelar binar format dintr – o stea uriașă, prezentată în stânga, și o stea companion compactă, în dreapta:

Steaua gigantică este atât de mare încât pentru o parte din materia din învelișul său exterior, atracția gravitațională a companionului compact este mai a stelei uriașe în sine. Materia este trasă spre tovarăș. Cu toate acestea, această materie nu se aruncă direct pe steaua însoțitoare, deoarece are suficientă mișcare laterală pentru a construi un așa-numit disc de acumulare. Acest disc realizat din material stelar orbitează steaua însoțitoare.

momentul unghiular și soarta materiei în discurile de acumulare

faptul că materia cu mișcare laterală suficientă va pierde obiectul central se datorează ceea ce fizicienii numesc conservarea momentului unghiular. Când un obiect orbitează o masă centrală sub influența gravitației, legile mecanicii fac o declarație clară: pentru obiectul care orbitează, produsul masei sale, distanța sa față de corpul central și viteza cu care se mișcă în jurul acelui corp – acesta este, conform definiției, impulsul unghiular al obiectului – trebuie să rămână constant în timp. O planetă care orbitează nu își poate schimba brusc cursul și nu se poate îndrepta direct spre soare. Pentru aceasta, impulsul său unghiular ar trebui brusc să sară la zero, în ciuda legilor fizicii. (Mai multe despre conservarea momentului unghiular pot fi găsite în subiectul Spotlight ce au în comun patinatorii, planetele și stelele neutronice.)

în cazul unei planete, conservarea momentului unghiular duce la o orbită regulată. În cazul stelei binare ilustrate mai sus, ea are și un rol de jucat: Steaua uriașă din ilustrație se rotește încet, la fel și materia conținută în regiunile sale exterioare. În consecință, această chestiune are un moment unghiular diferit de zero. Acest moment unghiular este conservat pe măsură ce particulele de materie cad spre companionul compact pentru a forma discul de acumulare.

situația din discul de acumulare este semnificativ mai complicată decât pentru planetele care orbitează. Legile mecanicii decretează că suma totală a momentelor unghiulare ale tuturor particulelor de materie nu se poate schimba în timp, dar este perfect permis ca o particulă să transfere părți ale momentului său unghiular către alte particule. Aceasta se numește transport de impuls unghiular. De exemplu, acest transport devine important de îndată ce apare turbulența. Turbulența este un fenomen natural în plasme dinamice și gaze (precum și în fluide). Cel mai eficient mecanism de redistribuire a momentului unghiular implică Materia plasmatică, în care diferitele particule se influențează reciproc prin câmpuri magnetice slabe. Rezultatul net este o redistribuire a momentului unghiular din interior în regiunile exterioare ale discului. În timpul acestui proces, materia din regiunile cele mai interioare reușește să arunce suficient impuls unghiular pentru a putea cădea pe (sau în) obiectul central în sine. În acest fel, tot mai multă materie se acumulează pe obiectul central. Fără transferul impulsului unghiular, această creștere prin acumulare ar fi imposibilă.

discuri luminoase

cei mai eficienți colectori de materie sunt cele mai compacte obiecte din cosmos: găurile negre. Sunt „capcane spațiu-timp” perfecte – nimic din ceea ce cade într-o gaură neagră nu poate scăpa vreodată, nici măcar lumina. Prin urmare, găurile negre sunt într-adevăr la fel de negre pe cât indică numele lor și foarte greu de detectat de astronomi. Cu toate acestea, situația se schimbă dramatic odată ce o gaură neagră este „hrănită” cu materie din vecinătatea sa – atunci găurile negre își pot transforma împrejurimile în cele mai strălucitoare și mai spectaculoase regiuni ale cosmosului!

există mai multe modalități prin care găurile negre își pot lumina vecinătatea cosmică. Unele necesită circumstanțe foarte speciale, dar una este universală oriunde Materia cade într-o gaură neagră: producerea de radiații termice. Materia care cade spre un obiect central sub influența gravitației este accelerată la viteze din ce în ce mai mari, câștigând din ce în ce mai multă energie cinetică. Dar, odată ce o particulă de materie care se încadrează se aruncă într – un disc de acumulare – și posibil mai devreme-mișcarea particulei este perturbată. Datorită coliziunilor frecvente între toate particulele diferite, nu există orbite simple bine definite. În schimb, întregul ansamblu de particule este în mișcare haotică. O astfel de mișcare haotică cu vârtejuri și instabilități – la fel ca într – un fluid turbulent-este obișnuită în discurile de acumulare. Prin definiție, mișcarea particulelor microscopice dezordonate este mișcarea termică și, ca atare, direct legată de temperatură. Pe măsură ce mișcarea particulelor care cad devine haotică, materia din discul de acumulare este încălzită la temperaturi foarte ridicate. Temperatura maximă într-un disc de acumulare în jurul unei găuri negre supermasive de o sută de ori masa Soarelui nostru va fi de aproximativ un milion de Kelvin, iar pentru discul din jurul unei găuri negre stelare, poate fi de până la un factor sute mai mare. Prin comparație, temperatura din miezul Soarelui nostru se ridică la aproximativ 15 milioane Kelvin.

în fizică, oriunde există căldură, există radiații electromagnetice termice. Fiecare corp emite radiații termice-doar un corp cu o temperatură de zero absolut nu ar fi, dar astfel de corpuri nu pot exista (mai multe informații despre radiația termică pot fi găsite în subiectul reflectoarelor căldură care întâlnește ochiul). Pe măsură ce temperatura corpului crește, la fel și energia emisă sub formă de radiații. Temperatura unui disc de acumulare în jurul unei găuri negre este suficient de mare pentru ca materia discului să emită cantități mari de raze X foarte energetice.

materia care cade spre un obiect central, formând un disc de acumulare, reprezintă o modalitate eminamente eficientă de a produce radiații din alte forme de energie (în acest caz energia gravitațională). Este de aproximativ 30 de ori mai eficient decât fuziunea nucleară, mecanismul de conversie a energiei responsabil pentru luminozitatea Soarelui nostru și a altor stele.până în prezent, niciun astronom nu a reușit să realizeze imagini detaliate ale fluxului de acumulare pe o gaură neagră centrală – ceea ce ar necesita o rezoluție mai mare decât pot oferi telescoapele actuale. În schimb, astrofizicienii au modalități indirecte de a – și testa ipotezele despre ceea ce se întâmplă în apropierea unei astfel de găuri negre: din simulările pe computer, pot prezice spectrele discurilor de acumulare-modul în care energia radiației este distribuită între diferitele frecvențe. Aceste spectre poartă o amprentă clară a condițiilor locale – o puternică deplasare gravitațională spre roșu indică compactitatea obiectului central; deplasările sistematice Doppler înregistrează modul în care materia se mișcă aproape cu viteza luminii în discul din jur. Ori de câte ori observațiile arată că masa concentrată în regiunea cea mai interioară este suficient de mare – fără niciun obiect luminos vizibil în acel loc special – există o mare probabilitate ca obiectul central să fie o gaură neagră.

Din această listă de proprietăți caracteristice, astronomii au o noțiune clară despre ce să caute și, după cum se dovedește, există într-adevăr obiecte pe cerul nopții cu exact proprietățile necesare. De fapt, pentru o serie de obiecte candidate, meciul dintre predicție și observație este destul de impresionant. Astfel, se pare că universul nostru conține găuri negre care acumulează materie. (Mai multe informații despre obiectele astronomice în cauză pot fi găsite în subiectul Spotlight găuri negre Active: balize cosmice ultra-fierbinți.)

informații suplimentare