Az akkréciós korong kulcsfontosságú eszköz a fekete lyukak tanulmányozásában. Szinte mindent, amit a fekete lyukakról eddig megtudtunk, az akkréciós korongoknak köszönhetően ismertük meg. Hogy miért? Az egyik dolog, ami alapjaiban változtatta meg a csillagászatot, az volt, amikor az emberek rájöttek, hogy az univerzumban több van, mint amit az optikai távcsövekkel addig látni lehetett. Felfedezték, hogy a látható fény csak egy kis töredéke a teljes elektromágneses spektrumnak, és hogy az információ a rádiótól kezdve a mikrohullámú, infravörös, optikai, ultraibolya, röntgen- és gammasugarakon át számos hullámhosszon terjed az univerzumban. Azóta mindent, amit az univerzumról tudunk, az elektromágneses sugárzásból tudtuk meg. A fekete lyukak azonban nem termelnek sugárzást, és ez lehetetlenné tenné tanulmányozásukat, ha nem lennének körülöttük akkréciós korongok. Ezek a korongok azok, amelyeket ténylegesen megfigyelünk, és amelyekből a központi gravitációs objektumaik tulajdonságaira következtetünk.

Akkkréció és akkréciós korongok

Az akkréció egy tömeges objektum növekedési folyamata, amely további anyag gravitációs vonzása és összegyűjtése révén jön létre. Ez jellemzően a központi akkréciós objektum körül keringő, diffúz anyagból vagy gázból álló korongszerű struktúrán keresztül történik. Az akkréciós korongok mindenütt jelen vannak a világegyetemben, megtalálhatóak kisebb csillagok vagy csillagmaradványok körül, közeli kettőscsillagokban, spirálgalaxisok középpontjában, kvazárokban, gammakitörésekben is kialakulnak.

Az akkréciónak számos formája lehet. Lehet gömb alakú, vagy síkbeli. Lehet tartós vagy epizodikus. Az akkréció szokásos forgatókönyve az, hogy az anyag egyik égitestről a másikra áramlik. Ekkor létezik egy preferált irány, amelyet a két égitest keringési síkja ad meg. Az áramlás is tartja ezt a síkot, de nem egyenesen terjed az egyik égitesttől a másikig, mivel a két égitest keringési mozgása miatt van némi szögimpulzusa. A Corriolis-erő egy kicsit félrelöki, és egy korongot alkot a célobjektum körül.

Az anyag így egy fekete lyuk, csillag vagy más gravitációs objektum körül keringő, sűrűn forgó akkréciós korongban halmozódik fel. A szomszédos rétegek közötti súrlódás hatására a korongban lévő gáz felmelegszik, mivel a potenciális energiája lassan hővé disszipálódik. A gáz szögimpulzust is veszít, ami lehetővé teszi, hogy közelebb kerüljön a központi objektumhoz és gyorsabban keringjen. A gyorsabb mozgás nagyobb súrlódást eredményez, és mivel a gáz nagyon felforrósodik, energiát sugároz ki. A központi objektum tömegétől függ, hogy a korong milyen hőmérsékletet érhet el, minél nagyobb tömegű, annál alacsonyabb a korong hőmérséklete. A csillagtömegű fekete lyukak körüli korongok hőmérséklete több millió Kelvin körül van, és röntgensugárzásban sugároznak, a szupernagy tömegű fekete lyukak körüli korongok hőmérséklete több ezer Kelvin körül van, és optikai vagy ultraibolya fényben sugároznak.

Hogyan képzeljünk el egy akkréciós lemezt

Az akkréciós lemezt úgy képzeljük el, mint egy régi jó gramofonlemezt. Meglepő módon számos tulajdonsága van egy akkréciós korongnak. Amikor elkezdjük lejátszani a lemezt, a tűt a lemez külső szélére állítjuk. Az anyag is ott lép be az akkréciós korongba – a pereménél. A tű ezután egy nagyon szűk spirális barázdát követ, miközben a bakelitlemez alatta fut, és a zene lejátszódik. Láthatjuk, hogy a tű nagyon lassan sodródik a lemez közepe felé, miközben sok-sokszor körbejárja a lemezt. Ugyanez a helyzet az akkréciós lemezzel. A korongba belépő anyagrészecskének el kell veszítenie a szögimpulzusát. Miközben ezt más körülötte lévő részecskékkel kicserélve teszi, sok-sokszor körbefut egy kepleri pályán, mint egy bolygó a Nap körül.

A gramofonlemez 45 percig játszhat, az anyagnak hetekig vagy évekig tart (a korong méretétől függően), hogy kívülről a belső pereme felé sodródjon. Amikor a lemez lejátszása befejeződik, és a tű eléri a sáv végét, a spirális barázda gyorsan kitekeredik, ami a tonearmot megállási helyzetbe hozza. A fekete lyukak akkréciós korongjainál hasonló dolog történik. Hangsúlyozzuk, hogy itt csak fekete lyukak körüli akkréciós korongokról lehet szó, mert ez a hatás relativisztikus, és csak kellően erős gravitációs mezőben jelentkezik olyan kompakt objektumok körül, mint a fekete lyukak vagy esetleg a neutroncsillagok. Az történik, hogy egy bizonyos sugárban, már egészen közel a központi fekete lyukhoz, az anyagrészecskék nem tudnak többé körkörös Kepler-pályák mentén keringeni. Az ilyen pályák az általános relativitáselmélet hatásai miatt megszűnnek stabilak lenni, és ettől a pillanattól kezdve a részecske egy szabadeséses nyílt spirálon halad, amely néhány keringési pályán belül a fénysebességhez közeli sebességgel végigviszi az út hátralevő részét egészen az eseményhorizontig, ahol véget ér a hosszú útja.

A korongnak annak a különleges vonulatának a létezése, ahol stabil kepleri pályák nem léteznek, igen nagy jelentőségűnek bizonyul. Mivel az anyag ezen a különleges helyen kívül mindenhol békésen keringhet a korongban, de belül nem, ez azt jelenti, hogy a korongról kiderül, hogy “lyuk” van benne. Ennek a lyuknak a mérete csak a központi fekete lyuk tulajdonságaitól (tömegétől és forgásától) függ. Ezért ha sikerülne megmérni a lyuk méretét, akkor magára a fekete lyukra vonatkozó tulajdonságokra is következtethetnénk. Milyen izgalmas! És valóban, a csillagászok előálltak egy maréknyi ötlettel, hogy pontosan ezt hogyan lehetne megtenni.