Accretieschijven zijn cruciale instrumenten voor onze studie van zwarte gaten. Bijna alles wat we over zwarte gaten te weten zijn gekomen, hebben we te danken aan accretieschijven. Waarom? De astronomie is van de grond af veranderd toen mensen zich realiseerden dat er in het heelal meer te zien was dan wat ze tot dan toe met optische telescopen hadden kunnen zien. Zij ontdekten dat het zichtbare licht slechts een klein deel was van het hele elektromagnetische spectrum en dat informatie door het heelal reist op vele golflengten van radio, via microgolf, infrarood, optisch, ultraviolet, röntgen, tot gammastralen. Sindsdien hebben we alles wat we weten over het heelal geleerd van elektromagnetische straling. Zwarte gaten produceren echter geen straling en dat zou het onmogelijk maken ze te bestuderen als ze geen accretieschijven om zich heen zouden hebben. Die schijven zijn wat we feitelijk waarnemen en uit wat we afleiden eigenschappen van hun centrale zwaartekrachtobjecten.

Accretie en accretieschijven

Accretie is een proces van groei van een massief object door het gravitationeel aantrekken en verzamelen van extra materiaal. Meestal gebeurt dit via een schijfvormige structuur van diffuus materiaal of gas dat in een baan rond het centrale accretie-object beweegt. Accretieschijven zijn alomtegenwoordig in het heelal en kunnen worden aangetroffen rond kleinere sterren of stellaire resten, in nabije dubbelsterren, in de centra van spiraalstelsels, in quasars, en ze worden ook gevormd in gammastraaluitbarstingen.

Accretie kan vele vormen aannemen. Het kan bolvormig zijn, of vlak. Het kan aanhoudend of episodisch zijn. Het gebruikelijke scenario voor accretie is dat het materiaal van het ene hemellichaam naar het andere stroomt. Dan bestaat er een voorkeursrichting, gegeven door het baanvlak van de twee hemellichamen. De stroom houdt ook dat vlak aan, maar loopt niet recht van het ene hemellichaam naar het andere omdat hij een zeker impulsmoment heeft door de baanbeweging van de twee. Het wordt een beetje opzij geduwd door de Corriolis-kracht en vormt een schijf rond het doelobject.

Op deze manier stapelt het materiaal zich op in een dichte ronddraaiende accretieschijf die rond een zwart gat, ster of ander gravitationeel object draait. Wrijving tussen aangrenzende lagen zorgt ervoor dat het gas in de schijf opwarmt, omdat de potentiële energie langzaam in warmte wordt omgezet. Het gas verliest ook zijn impulsmoment, waardoor het dichter bij het centrale object kan komen en sneller in een baan kan draaien. Snellere beweging leidt tot meer wrijving en als het gas erg heet wordt, straalt het energie uit. Het hangt van de massa van het centrale object af welke temperatuur de schijf kan bereiken, hoe massiever het centrale object is, hoe lager de temperatuur van de schijf. Schijven rond stellaire zwarte gaten hebben temperaturen rond de miljoenen Kelvin en stralen in röntgenstraling, schijven rond superzware zwarte gaten hebben temperaturen rond de duizenden Kelvin en stralen in optisch of ultraviolet licht.

Hoe stel je je een accretieschijf voor

We kunnen ons een accretieschijf voorstellen als een oude goede grammofoonplaat. Verrassend genoeg heeft deze plaat veel kenmerken van een accretieschijf. Wanneer we de plaat beginnen af te spelen, plaatsen we de naald aan de buitenrand van de schijf. Dat is ook waar de materie de accretieschijf binnenkomt – aan de rand. De naald volgt dan een zeer nauwe spiraalvormige groef terwijl de vinylplaat eronderdoor loopt en de muziek wordt afgespeeld. Je kunt zien dat de naald heel langzaam naar het midden van de plaat toe beweegt terwijl hij vele malen rond de plaat gaat. Hetzelfde geldt voor de accretieschijf. Een materiedeeltje dat de schijf is binnengedrongen moet zijn impulsmoment verliezen. Terwijl het dit doet door het uit te wisselen met andere deeltjes in de buurt, blijft het vele malen rondlopen langs een Kepleriaanse baan zoals een planeet rond de zon.

De grammofoonplaat kan 45 minuten spelen, het kost de materie weken of jaren (afhankelijk van de grootte van de schijf) om van buiten naar de binnenrand te drijven. Zodra de plaat is afgelopen en de naald het einde van het spoor heeft bereikt, rolt de spiraalvormige groef zich snel af waardoor de toonarm in een positie komt dat hij moet stoppen. In zwarte gat accretie schijven gebeurt iets soortgelijks. We benadrukken hier dat het moet gaan om accretieschijven rond zwarte gaten, omdat dit effect relativistisch is en zich alleen manifesteert in een voldoende sterk gravitatieveld rond compacte objecten zoals zwarte gaten of misschien neutronensterren. Wat er gebeurt is dat bij een bepaalde straal, al vrij dicht bij het centrale zwarte gat, materiedeeltjes niet langer langs cirkelvormige Kepleriaanse banen kunnen draaien. Dergelijke banen houden op stabiel te zijn als gevolg van effecten van de algemene relativiteit en vanaf dat moment bevindt het deeltje zich op een open spiraal in vrije val die het binnen enkele omlopen met een snelheid dicht bij de lichtsnelheid naar de event horizon zal leiden, waar het zijn lange weg beëindigt.

Het bestaan van die speciale eigenschap in de schijf waar stabiele Kepleriaanse banen niet bestaan, blijkt van zeer grote betekenis te zijn. Aangezien materie overal buiten deze speciale plek rustig in de schijf kan ronddraaien, maar niet erbinnen, betekent dit dat de schijf een ‘gat’ in zichzelf blijkt te hebben. De grootte van dit gat hangt alleen af van de eigenschappen van het centrale zwarte gat (zijn massa en rotatie). Als we er dus in zouden slagen de grootte van het gat te meten, zouden we daaruit eigenschappen van het zwarte gat zelf kunnen afleiden. Wat spannend! En inderdaad, sterrenkundigen hebben een handvol ideeën ontwikkeld over hoe we dat precies kunnen doen.