Akkrektiokiekko on ratkaisevan tärkeä väline mustien aukkojen tutkimisessa. Lähes kaiken, mitä olemme oppineet mustista aukoista, olemme oppineet akkrektiokiekkojen ansiosta. Miksi? Yksi asia, joka oli muuttanut tähtitiedettä maasta käsin, oli se, kun ihmiset tajusivat, että maailmankaikkeudessa on enemmän nähtävää kuin mitä optiset teleskoopit olivat siihen asti antaneet heille mahdollisuuden nähdä. He huomasivat, että näkyvä valo oli vain pieni osa koko sähkömagneettisesta spektristä ja että tieto kulkee maailmankaikkeudessa monilla aallonpituuksilla radiosta mikroaaltojen, infrapunan, optisen, ultravioletin ja röntgensäteilyn kautta gammasäteisiin. Sittemmin olemme oppineet kaiken, mitä tiedämme maailmankaikkeudesta, sähkömagneettisesta säteilystä. Mustat aukot eivät kuitenkaan tuota säteilyä, ja siksi niitä olisi mahdotonta tutkia, ellei niiden ympärillä olisi akkrektiokiekkoja. Nuo kiekot ovat niitä, joita me itse asiassa havaitsemme ja joista päätelemme niiden keskeisten gravitaatiokappaleiden ominaisuuksia.
Akkreetio ja akkrektiokiekot
Akkreetio on massiivisen kappaleen kasvuprosessi, joka tapahtuu vetämällä puoleensa ja keräämällä gravitaation vaikutuksesta lisämateriaalia. Tyypillisesti tämä tapahtuu diffuusista aineesta tai kaasusta koostuvan kiekkomaisen rakenteen kautta, joka on kiertoliikkeessä keskeisen akkretoivan kappaleen ympärillä. Akkrektiokiekot ovat kaikkialla maailmankaikkeudessa esiintyviä piirteitä, ja niitä löytyy pienempien tähtien tai tähtien jäänteiden ympäriltä, läheisistä kaksoistähdistä, spiraaligalaksien keskuksista, kvasaareista, ja niitä muodostuu myös gammasäteilypurkauksissa.
Akkretoitumisella voi olla monia muotoja. Se voi olla pallomainen tai tasomainen. Se voi olla jatkuvaa tai episodista. Tavallinen skenaario akkretoitumiselle on, että aine virtaa yhdestä taivaankappaleesta toiseen. Tällöin on olemassa kahden kappaleen kiertoradan tason antama ensisijainen suunta. Virtaus pysyy myös tässä tasossa, mutta se ei ulotu suoraan kohteesta toiseen, koska sillä on jonkin verran kulmamomenttia, joka johtuu näiden kahden kappaleen kiertorataliikkeestä. Corriolis-voima työntää sitä hiukan sivuun ja se muodostaa kiekon kohdekappaleen ympärille.
Siten aine kasaantuu tiheäksi pyöriväksi akkrektiokiekoksi, joka kiertää mustaa aukkoa, tähteä tai muuta gravitaatiokohdetta. Vierekkäisten kerrosten välinen kitka saa kiekon kaasun lämpenemään, kun sen potentiaalienergia haihtuu hitaasti lämmöksi. Kaasu menettää myös kulmavauhtia, minkä ansiosta se pääsee lähemmäksi keskuskohdetta ja kiertää nopeammin. Nopeampi liike aiheuttaa enemmän kitkaa, ja kun kaasu kuumenee, se säteilee energiaa. Lämpötila, jonka kiekko voi saavuttaa, riippuu keskuskappaleen massasta; mitä massiivisempi se on, sitä alhaisempi lämpötila kiekolla on. Tähtimassiivisten mustien aukkojen ympärillä olevien kiekkojen lämpötila on noin miljoonia kelvinejä ja ne säteilevät röntgensäteilyä, supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä olevien kiekkojen lämpötila on noin tuhansia kelvinejä ja ne säteilevät optista tai ultraviolettivaloa.
Miten kuvitella akkrektiokiekko
Voidaan kuvitella akkrektiokiekko vanhan hyvän gramofonilevyn kaltaiseksi. Yllättäen siinä on monia akkrektiokiekon piirteitä. Kun aloitamme levyn soittamisen, asetamme neulan levyn ulkoreunaan. Siellä myös aine tulee akkrektiokiekkoon – sen reuna-alueella. Neula seuraa sitten hyvin tiukkaa kierreuraa, kun vinyylilevy kulkee sen alla ja musiikkia soitetaan. Voit nähdä neulan ajautuvan hyvin hitaasti kohti levyn keskustaa, kun se kiertää levyn monta kertaa. Sama juttu akkrektiolevyllä. Levyyn joutuneen ainehiukkasen on menetettävä kulmavauhtinsa. Samalla kun se tekee sen vaihtamalla sitä muiden ympärillä olevien hiukkasten kanssa, se jatkaa kulkuaan monta monta kertaa Keplerin rataa pitkin, kuten planeetta Auringon ympäri.
Gramofonilevy voi soida 45 minuuttia, aineelta kestää viikkoja tai vuosia (levyn koosta riippuen) ajelehtia sen ulkopuolelta sen sisäreunaan. Kun levy on soitettu loppuun ja neula saavuttaa raidan lopun, kierreura purkautuu nopeasti, mikä asettaa tonearmin pysäytysasentoon. Mustien aukkojen akkrektiolevyissä tapahtuu samanlainen asia. Korostamme tässä yhteydessä, että kyseessä on oltava mustien aukkojen ympärillä olevat akkrektiokiekot, koska tämä ilmiö on relativistinen ja ilmenee vain riittävän voimakkaassa gravitaatiokentässä kompaktien kappaleiden, kuten mustien aukkojen tai ehkä neutronitähtien, ympärillä. Tapahtuu niin, että tietyllä säteellä, joka on jo melko lähellä keskeistä mustaa aukkoa, ainehiukkaset eivät voi enää kiertää ympyränmuotoisia Keplerin ratoja pitkin. Tällaiset radat lakkaavat olemasta stabiileja yleisen suhteellisuusteorian vaikutusten vuoksi, ja siitä hetkestä lähtien hiukkanen on vapaassa pudotuksessa avoimella spiraalilla, joka vie sen loppumatkan läpi alas tapahtumahorisonttiin muutamassa kiertoradassa lähellä valonnopeutta olevalla nopeudella, jossa se päättää pitkän matkansa.
Kiekon tuon erityispiirteen olemassaololla, jossa stabiileja kepleriläisiä ratoja ei ole olemassa, osoittautuu olevan hyvin suuri merkitys. Koska aine voi rauhallisesti kiertää kiekossa kaikkialla tämän erikoiskohdan ulkopuolella, mutta ei sen sisällä, se tarkoittaa, että kiekossa osoittautuu olevan “reikä” itsessään. Tämän reiän koko riippuu vain keskeisen mustan aukon ominaisuuksista (sen massasta ja pyörimisestä). Jos siis onnistuisimme mittaamaan reiän koon, voisimme päätellä itse mustan aukon ominaisuuksia. Kuinka jännittävää! Ja tosiaan, tähtitieteilijät ovat keksineet kourallisen ideoita siitä, miten tehdä juuri näin.