Accretionsskiver er afgørende redskaber for vores studier af sorte huller. Næsten alt, hvad vi har lært om sorte huller, har vi lært takket være akkretionsskiver. Hvorfor? En ting, der havde ændret astronomien fra grunden, var, da folk indså, at der var mere at se i universet, end hvad optiske teleskoper indtil da havde givet dem mulighed for at se. De opdagede, at det synlige lys kun var en lille del af hele det elektromagnetiske spektrum, og at informationerne rejser gennem universet på mange bølgelængder fra radio, over mikrobølger, infrarødt, optisk, ultraviolet, røntgen og gammastråler. Siden da har vi lært alt, hvad vi ved om universet, gennem elektromagnetisk stråling. Sorte huller producerer imidlertid ingen stråling, og det ville gøre det umuligt at studere dem, hvis de ikke havde akkretionsskiver omkring sig. Disse skiver er det, vi faktisk observerer, og ud fra det, vi udleder egenskaber ved deres centrale gravitationsobjekter.

Accretion og akkretionsskiver

Accretion er en proces, hvor et massivt objekt vokser ved at tiltrække og indsamle yderligere materiale ved gravitation. Typisk sker dette gennem en skivelignende struktur af diffust materiale eller gas, der er i kredsløbsbevægelse omkring det centrale akkretionerende objekt. Akkretionsskiver er allestedsnærværende træk i universet og kan findes omkring mindre stjerner eller stjernefterladenskaber, i tætte binære stjerner, i centrum af spiralgalakser, i kvasarer, og de dannes også i gammastråleudbrud.

Akkretion kan have mange former. Den kan være sfærisk eller planar. Den kan være vedvarende eller episodisk. Det sædvanlige scenarie for akkretion er, at materialet strømmer fra et himmellegeme til et andet himmellegeme. I så fald findes der en foretrukken retning, der er givet af de to legemers baneplan. Strømmen holder også dette plan, men strækker sig ikke lige fra det ene objekt til det andet, da den har en vis vinkelbevægelse fra de to objekters kredsløbsbevægelse. Den skubbes lidt til side af Corriolis kraft og danner en disk omkring målobjektet.

På denne måde hober materialet sig op i en tæt snurrende akkretionsdisk, der kredser om et sort hul, en stjerne eller et andet gravitationsobjekt. Friktion mellem tilstødende lag får gassen i disken til at varme op, da dens potentielle energi langsomt afgives til varme. Gassen mister også vinkelbevægelse, hvilket gør det muligt for den at komme tættere på det centrale objekt og kredse hurtigere. Hurtigere bevægelse resulterer i mere friktion, og efterhånden som gassen bliver meget varm, udstråler den energi. Det afhænger af det centrale objekts masse, hvilken temperatur skiven kan nå op på; jo mere massiv den er, jo lavere temperatur har skiven. Skiver omkring sorte huller med stjernemasse har temperaturer på omkring millioner af Kelvin og udstråler i røntgenstråler, mens skiver omkring supermassive sorte huller har temperaturer på omkring tusindvis af Kelvin og udstråler i optisk eller ultraviolet lys.

Hvordan man kan forestille sig en akkretionsskive

Vi kan forestille os en akkretionsskive som en gammel god grammofonplade. Overraskende nok har den mange træk af en akkretionsskive. Når vi begynder at afspille pladen, placerer vi nålen ved den yderste kant af skiven. Det er også der, hvor stoffet kommer ind i akkretionsskiven – ved dens periferi. Nålen følger derefter en meget tæt spiralformet rille, mens vinylpladen løber under den, og musikken afspilles. Man kan se, at nålen meget langsomt driver mod pladens centrum, mens den går rundt om pladen mange mange gange. Det samme med akkretionsskiven. En stofpartikel, der er kommet ind i skiven, må miste sin vinkelbevægelse. Mens den gør det ved at udveksle det med andre partikler rundt omkring, bliver den ved med at løbe rundt mange mange gange langs en kepleriansk bane som en planet rundt om solen.

Grammofonpladen kan spille i 45 minutter, det tager materien uger eller år (afhængig af diskens størrelse) at drive fra ydersiden til dens indre kant. Når pladen er færdigspillet, og nålen når slutningen af sporet, rulles den spiralformede rille hurtigt ud, hvilket bringer tonearmen i en position, hvor den kan stoppe. I sorte hullers akkretionsskiver sker en lignende ting. Vi understreger her, at det skal være akkretionsskiver omkring sorte huller, fordi denne effekt er relativistisk og kun manifesterer sig i et tilstrækkeligt stærkt gravitationsfelt omkring kompakte objekter som sorte huller eller måske neutronstjerner. Det, der sker, er, at ved en vis radius, allerede ganske tæt på det centrale sorte hul, kan stofpartikler ikke længere kredse langs cirkulære keplerianske baner. Sådanne baner ophører med at være stabile på grund af virkninger af den generelle relativitetsteori, og fra det øjeblik befinder partiklen sig på en åben spiral i frit fald, som vil føre den gennem resten af vejen ned til begivenhedshorisonten inden for få baner med en hastighed tæt på lysets hastighed, hvor den ender sin lange vej.

Eksistensen af dette særlige træk i skiven, hvor stabile keplerske baner ikke eksisterer, viser sig at være af meget stor betydning. Da materien fredeligt kan kredse i skiven overalt uden for dette særlige sted, men ikke indenfor, betyder det, at skiven viser sig at have et “hul” i sig selv. Størrelsen af dette hul afhænger kun af det centrale sorte huls egenskaber (dets masse og rotation). Hvis det lykkedes os at måle størrelsen af hullet, kunne vi derfor udlede egenskaberne ved selve det sorte hul. Hvor spændende! Og faktisk er astronomer kommet med en håndfuld idéer til, hvordan man kan gøre netop det.