hur det faktum att svarta hål är mycket effektiva för att locka omgivande materia leder till några av de mest spektakulärt lysande fenomenen i hela kosmos

en artikel av Andreas M. En möjlig konsekvens av detta är accretion, astrofysikernas filtterm för processer där ett massivt centralt objekt plockar upp (”accretes”) materia från sitt direkta grannskap. Accretion gör att det centrala objektet blir mer massivt och därmed allt bättre när det gäller att plocka upp Materia. Som ett första steg mot att förstå accretion är det användbart att titta på en mer allmän fråga: Vilka är de möjliga resultaten när materien faller mot ett centralt objekt?

fallande Materia

om det centrala objektet är en fast kropp kan Materia falla direkt på den kroppen och plötsligt stoppa. Detta skulle vara ett exempel på en” mekanisk barriär ” – det centrala objektets yta förhindrar att Materia faller längre, precis som jordens fasta yta hindrar oss från att falla rakt in i mitten av vår hemplanet. Om den centrala kroppen är ett svart hål kan Materia falla direkt mot det svarta hålets horisont och in i det svarta hålet, för att aldrig ses igen. I båda fallen tar materien ett rakt dopp.

men det här är inte den enda möjligheten – det är faktiskt undantaget snarare än regeln. Vanligtvis kommer materien att vara i rörelse redan innan den är tillräckligt nära för att det centrala objektet ska utöva ett betydande drag. Om inte denna rörelse riktas exakt mot det centrala objektet – ett speciellt fall och därmed mycket sällsynt-kommer det att finnas en del av sidledes rörelse, och om den komponenten är tillräckligt stor kommer den fallande materien inte att träffa det centrala objektet utan gå förbi det.

ett möjligt resultat av en sådan nära miss är en bana där den infallande massan passerar nära de centrala föremålen innan de går ut i rymden, för att aldrig återvända (obundet bana). En annan är en sluten (bunden) bana där den infallande massan fortsätter att röra sig runt det centrala objektet; välkända exempel är planeterna i vårt solsystem på sina banor runt solen.

ett annat exempel på en nära missbana, den här något mer komplicerad, kan ses i bilden nedan-ett binärt stjärnsystem bestående av en jättestjärna, som visas till vänster och en kompakt följeslagare till höger:

jättestjärnan är så stor att för en del av saken i dess yttre kuvert är gravitationskraften hos den kompakta följeslagaren större än den som är av den gigantiska stjärnan själv. Materien dras mot följeslagaren. Men den frågan dyker inte direkt på följeslagaren eftersom den har tillräcklig sidledes rörelse för att bygga upp en så kallad accretionsdisk. Denna skiva gjord av stjärnmaterial kretsar kring följeslagaren.

vinkelmoment och materiens öde i accretionsskivor

det faktum att materia med tillräcklig sidledes rörelse kommer att sakna det centrala objektet beror på vad fysiker kallar bevarande av vinkelmoment. När ett objekt kretsar kring en central massa under påverkan av tyngdkraften, gör mekanikens lagar ett tydligt uttalande: för det kretsande objektet måste produkten av dess massa, dess avstånd till den centrala kroppen och den hastighet med vilken den rör sig runt den kroppen – detta är per definition objektets vinkelmoment – förbli konstant över tiden. En kretsande planet kan inte plötsligt ändra sin kurs och gå rakt in i solen. För det skulle dess vinkelmoment plötsligt behöva hoppa till noll, i strid med fysikens lagar. (Mer om bevarande av vinkelmoment finns i Spotlight-ämnet vilka konståkare, planeter och neutronstjärnor har gemensamt.)

När det gäller en planet leder bevarandet av vinkelmoment till en regelbunden bana. När det gäller den binära stjärnan som visas ovan har den också en roll att spela: jättestjärnan i illustrationen roterar långsamt, och det gör också saken i dess yttre regioner. Följaktligen har denna fråga icke-noll vinkelmoment. Denna vinkelmoment bevaras när materiepartiklarna faller mot den kompakta följeslagaren för att bilda accretionsskivan.

situationen i accretionsskivan är betydligt mer komplicerad än för planeter som kretsar. Mekanikens lagar bestämmer att den totala summan av alla materiepartiklarnas vinkelmoment inte kan förändras över tiden, men det är helt tillåtet för en partikel att överföra delar av dess vinkelmoment till andra partiklar. Detta kallas vinkelmomentstransport. Till exempel blir denna transport viktig så snart turbulens uppstår. Turbulens är ett naturfenomen i dynamiska plasma och gaser (såväl som i vätskor). Den mest effektiva mekanismen för att omfördela vinkelmoment involverar plasmaämnen, där de olika partiklarna påverkar varandra via svaga magnetfält. Nettoresultatet är en omfördelning av vinkelmoment från det inre till de yttre områdena på skivan. Under denna process lyckas saken i de innersta regionerna kasta tillräckligt med vinkelmoment för att kunna falla på (eller in i) själva det centrala objektet. På detta sätt accretes mer och mer materia på det centrala objektet. Utan vinkelmomentöverföring skulle denna tillväxt genom accretion vara omöjlig.

lysande skivor

de mest effektiva samlarna av materia är de mest kompakta föremålen i kosmos: svarta hål. De är perfekta ”Spacetime fällor” – ingenting som faller i ett svart hål kan någonsin fly, inte ens ljus. Därför är svarta hål verkligen så svarta som deras namn indikerar, och mycket svårt för astronomer att upptäcka. Situationen förändras dock dramatiskt när ett svart hål ”matas” med materia från dess närhet – då kan svarta hål förvandla sin omgivning till de ljusaste och mest spektakulära regionerna i kosmos!

det finns flera sätt för svarta hål att lysa upp sitt kosmiska grannskap. Vissa kräver mycket speciella omständigheter, men en är universell varhelst Materia faller i ett svart hål: produktion av termisk strålning. Materia som faller mot ett centralt objekt under påverkan av tyngdkraften accelereras till högre och högre hastigheter och får mer och mer kinetisk energi. Men när en partikel av infallande Materia dyker in i en accretionsskiva – och eventuellt tidigare – störs partikelns rörelse. På grund av frekventa kollisioner mellan alla olika partiklar finns det inga väldefinierade enkla banor. Istället är hela ensemblet av partiklar i kaotisk rörelse. Sådan kaotisk rörelse med virvlar och instabiliteter – precis som i en turbulent vätska – är vanligt inom accretionsskivor. Per definition är oordnad mikroskopisk partikelrörelse termisk rörelse och som sådan direkt relaterad till temperaturen. När de infallande partiklarnas rörelse blir kaotisk värms materia i ackretionsskivan till mycket höga temperaturer. Den maximala temperaturen i en accretionsskiva runt ett supermassivt svart hål hundra gånger massan av vår sol kommer att vara cirka en miljon Kelvin och för skivan runt ett stellar svart hål kan det vara upp till en faktor hundra högre. Som jämförelse uppgår temperaturen i kärnan i vår sol till cirka 15 miljoner Kelvin.

i fysik, varhelst det finns värme, finns det termisk elektromagnetisk strålning. Varje kropp avger termisk strålning-bara en kropp med en temperatur på absolut noll skulle inte, men sådana kroppar kan inte existera (mer information om termisk strålning finns i Spotlight-ämnet värme som möter ögat). När en kropps temperatur ökar, så gör den energi som emitteras i form av strålning. Temperaturen på en accretionsskiva runt ett svart hål är tillräckligt hög för att skivmaterialet ska avge stora mängder mycket energiska röntgenstrålar.

materia som faller mot ett centralt objekt, bildar en accretionsskiva, representerar ett utmärkt effektivt sätt att producera strålning från andra former av energi (i detta fall gravitationsenergi). Det är ungefär 30 gånger effektivare än kärnfusion, energiomvandlingsmekanismen som är ansvarig för ljusstyrkan hos vår sol och andra stjärnor.hittills har ingen astronom lyckats ta detaljerade bilder av accretionsflödet på ett centralt svart hål – det skulle kräva en högre upplösning än nuvarande teleskop kan ge. Istället har astrofysiker indirekta sätt att testa sina antaganden om vad som händer nära ett sådant svart hål: från datorsimuleringar kan de förutsäga spektra av accretionsskivor – hur strålningsenergin fördelas mellan de olika frekvenserna. Dessa spektra har ett tydligt avtryck av de lokala förhållandena – en stark gravitationell rödförskjutning berättar om det centrala objektets kompaktitet; systematiska dopplerskift registrerar hur materien rör sig med nästan ljusets hastighet i den omgivande skivan. När observationer visar att massan koncentrerad i det innersta området är tillräckligt hög – utan något lysande föremål synligt på den specifika platsen-finns det en stor sannolikhet för att det centrala objektet är ett svart hål.

från denna lista över karakteristiska egenskaper har astronomer en tydlig uppfattning om vad man ska leta efter, och som det visar sig finns det faktiskt föremål på natthimlen med exakt de nödvändiga egenskaperna. För ett antal kandidatobjekt är faktiskt matchen mellan förutsägelse och observation ganska imponerande. Således verkar det som om vårt universum innehåller svarta hål som ackumulerar Materia. (Mer information om de astronomiska objekten i fråga finns i Spotlight-ämnet aktiva svarta hål: Ultra-heta kosmiska fyrar.)

ytterligare Information