Discurile de acreție sunt instrumente cruciale pentru studiul nostru al găurilor negre. Aproape tot ceea ce am învățat despre găurile negre am aflat datorită discurilor de acreție. De ce? Un lucru care a schimbat astronomia din temelii a fost atunci când oamenii și-au dat seama că era mai mult de văzut în univers decât ceea ce telescoapele optice le permiteau până atunci să vadă. Ei au descoperit că lumina vizibilă era doar o mică parte din întregul spectru electromagnetic și că informația călătorește prin univers pe mai multe lungimi de undă, de la radio, prin microunde, infraroșu, optic, ultraviolet, raze X, până la raze gamma. De atunci, tot ceea ce știm despre univers am aflat din radiațiile electromagnetice. Cu toate acestea, găurile negre nu produc nicio radiație, iar acest lucru le-ar face imposibil de studiat dacă nu ar avea discuri de acreție în jurul lor. Aceste discuri sunt cele pe care le observăm de fapt și din care deducem proprietățile obiectelor gravitaționale centrale ale acestora.
Discuri de acreție și de acumulare
Acumularea este un proces de creștere a unui obiect masiv prin atragerea gravitațională și colectarea de material suplimentar. De obicei, acest lucru se întâmplă printr-o structură asemănătoare unui disc de material difuz sau gaz care se află în mișcare orbitală în jurul obiectului central de acreție. Discurile de acreție sunt caracteristici omniprezente în univers și pot fi găsite în jurul unor stele mai mici sau rămășițe stelare, în stelele binare apropiate, în centrele galaxiilor spiralate, în quasari, ele se formează și în exploziile de raze gamma.
Acțiunea de acreție poate avea mai multe forme. Ea poate fi sferică, sau plană. Poate fi persistentă sau episodică. Scenariul obișnuit pentru acreție este că materialul curge de la un obiect ceresc la altul. Atunci există o direcție preferată dată de planul orbital al celor două corpuri. De asemenea, fluxul păstrează acel plan, dar nu se întinde drept de la un obiect la altul, deoarece are un anumit moment unghiular datorat mișcării orbitale a celor două. Este împins puțin la o parte de forța Corriolis și formează un disc în jurul obiectului țintă.
În acest fel, materialul se adună într-un disc de acreție dens în rotație care orbitează în jurul unei găuri negre, stele sau alt obiect gravitațional. Frecarea dintre straturile adiacente face ca gazul din disc să se încălzească pe măsură ce energia sa potențială este disipată lent în căldură. De asemenea, gazul pierde moment unghiular, ceea ce îi permite să se apropie mai mult de obiectul central și să orbiteze mai repede. Mișcarea mai rapidă duce la mai multă frecare și, pe măsură ce gazul se încălzește foarte tare, radiază energie. Temperatura pe care o poate atinge discul depinde de masa obiectului central; cu cât acesta este mai masiv, cu atât mai scăzută este temperatura pe care o are discul. Discurile din jurul găurilor negre de masă stelară au temperaturi de ordinul milioanelor de Kelvins și radiază în raze X, iar discurile din jurul găurilor negre supermasive au temperaturi de ordinul miilor de Kelvins și radiază în lumină optică sau ultravioletă.
Cum să ne imaginăm un disc de acreție
Ne putem imagina un disc de acreție ca pe un vechi și bun disc de gramofon. În mod surprinzător, acesta are multe caracteristici ale unui disc de acreție. Când începem să ascultăm discul, poziționăm acul la marginea exterioară a acestuia. Acesta este, de asemenea, locul în care materia intră în discul de acreție – la periferia acestuia. Acul urmează apoi un șanț spiralat foarte strâns, pe măsură ce placa de vinil trece pe dedesubt și muzica este redată. Puteți vedea cum acul se deplasează foarte încet spre centrul plăcii în timp ce se deplasează de mai multe ori în jurul acesteia. La fel și în cazul discului de acreție. O particulă de materie care a intrat în disc trebuie să-și piardă momentul unghiular. În timp ce face acest lucru schimbându-l cu alte particule din jur, ea continuă să se învârtă de multe și multe ori de-a lungul unei orbite kepleriene, ca o planetă în jurul Soarelui.
Discul de gramofon poate rula timp de 45 de minute, materiei îi trebuie săptămâni sau ani (în funcție de mărimea discului) pentru a pluti în derivă de la exterior spre marginea sa interioară. Odată ce discul este terminat și acul ajunge la capătul pistei, canelura spiralată se derulează rapid, ceea ce plasează tonomatul în poziția de a se opri. În cazul discurilor de acreție ale găurilor negre, se întâmplă un lucru similar. Subliniem aici că trebuie să fie vorba de discurile de acreție din jurul găurilor negre, deoarece acest efect este unul relativist și se manifestă doar într-un câmp gravitațional suficient de puternic în jurul unor obiecte compacte precum găurile negre sau poate stelele neutronice. Ceea ce se întâmplă este că, la o anumită rază, deja destul de aproape de gaura neagră centrală, particulele de materie nu mai pot orbita de-a lungul unor traiectorii Keplerian circulare. Astfel de traiectorii încetează să mai fie stabile din cauza efectelor relativității generale și, din acel moment, particula se află pe o spirală deschisă în cădere liberă care o va conduce în câteva orbite, cu o viteză apropiată de viteza luminii, până la orizontul evenimentelor, unde își va încheia lungul său drum.
Existența acelei caracteristici speciale a discului în care nu mai există traiectorii kepleriene stabile se dovedește a fi de o importanță foarte mare. Deoarece materia poate orbita liniștită în disc peste tot în afara acestui loc special, dar nu și în interior, înseamnă că discul se dovedește a avea o “gaură” în el însuși. Dimensiunea acestei găuri depinde doar de proprietățile găurii negre centrale (masa și rotația acesteia). Prin urmare, dacă am reuși să măsurăm dimensiunea găurii, am putea deduce proprietățile găurii negre în sine. Ce interesant! Și, într-adevăr, astronomii au venit cu o mână de idei despre cum să facă exact acest lucru.
.