Ackretionsskivor är viktiga verktyg för vår studie av svarta hål. Nästan allt vi har lärt oss om svarta hål har vi lärt oss tack vare ackretionsskivorna. Varför? En sak som hade förändrat astronomin från grunden var när människor insåg att det fanns mer att se i universum än vad optiska teleskop hittills hade tillåtit dem att se. De upptäckte att det synliga ljuset bara var en liten del av hela det elektromagnetiska spektrumet och att information färdas genom universum på många olika våglängder, från radio, mikrovågor, infrarött ljus, optiskt ljus, ultraviolett ljus, röntgenstrålar och gammastrålar. Sedan dess har vi lärt oss allt vi vet om universum genom elektromagnetisk strålning. Svarta hål producerar dock ingen strålning och det skulle göra dem omöjliga att studera om de inte hade ackretionsskivor runt omkring sig. Dessa skivor är vad vi faktiskt observerar och från vad vi härleder egenskaper hos deras centrala gravitationsobjekt.

Ackretion och ackretionsskivor

Ackretion är en process där ett massivt objekt växer genom att gravitationellt attrahera och samla in ytterligare material. Typiskt sett sker detta genom en skivliknande struktur av diffust material eller gas som befinner sig i omloppsrörelse runt det centrala ackretionsobjektet. Ackretionsskivor är allestädes närvarande i universum och kan hittas runt mindre stjärnor eller stjärnrester, i nära binära stjärnor, i centrum av spiralgalaxer, i kvasarer, de bildas även i gammastrålar.

Ackretion kan ha många former. Den kan vara sfärisk eller plan. Den kan vara ihållande eller episodisk. Det vanliga scenariot för ackretion är att materialet strömmar från ett himlaobjekt till ett annat. Då finns det en önskad riktning som ges av de två kropparnas banplan. Flödet håller också detta plan, men sträcker sig inte rakt från det ena objektet till det andra eftersom det har ett visst vinkelmoment från de båda föremålens omloppsrörelse. Det skjuts lite åt sidan av Corrioliskraften och bildar en skiva runt målobjektet.

På detta sätt samlas materialet i en tät snurrande ackretionsskiva som kretsar kring ett svart hål, en stjärna eller ett annat gravitationsobjekt. Friktion mellan angränsande lager gör att gasen i skivan värms upp när dess potentiella energi långsamt avges till värme. Gasen förlorar också vinkelmoment vilket gör att den kan komma närmare det centrala objektet och kretsa snabbare. Snabbare rörelse resulterar i mer friktion och när gasen blir mycket varm strålar den ut energi. Det beror på det centrala objektets massa vilken temperatur skivan kan uppnå, ju mer massiv den är desto lägre temperatur har skivan. Skivor runt svarta hål med stjärnmassa har temperaturer på miljontals Kelvin och strålar i röntgenstrålning, skivor runt supermassiva svarta hål har temperaturer på tusentals Kelvin och strålar i optiskt eller ultraviolett ljus.

Hur man kan föreställa sig en ackretionsskiva

Vi kan föreställa oss en ackretionsskiva som en gammal bra grammofonskiva. Överraskande nog har den många egenskaper hos en ackretionsskiva. När vi börjar spela upp skivan placerar vi nålen vid skivans ytterkant. Det är också där materian kommer in i ackretionsskivan – vid dess periferi. Nålen följer sedan ett mycket snävt spiralspår när vinylplattan löper under den och musiken spelas. Man kan se hur nålen mycket långsamt glider mot plattans mitt medan den går runt plattan många många gånger. Samma sak med ackretionsskivan. En materiepartikel som har kommit in i skivan måste förlora sitt vridmoment. Medan den gör det genom att utbyta det med andra partiklar runtomkring, fortsätter den att springa runt många många gånger längs en Kepleriansk bana som en planet runt solen.

Grammofonskivan kan spela i 45 minuter, det tar materien veckor eller år (beroende på skivans storlek) att driva från utsidan till dess inre kant. När skivan är färdigspelad och nålen når slutet av spåret rullar spiralspåret snabbt ut sig vilket gör att tonarmen kan stanna. I svarta håls ackretionsskivor sker en liknande sak. Vi betonar att det måste vara ackretionsskivor runt svarta hål här, eftersom denna effekt är relativistisk och endast manifesterar sig i ett tillräckligt starkt gravitationsfält runt kompakta objekt som svarta hål eller kanske neutronstjärnor. Vad som händer är att vid en viss radie, redan ganska nära det centrala svarta hålet, kan materiepartiklar inte längre kretsa längs cirkulära keplerska banor. Sådana banor upphör att vara stabila på grund av effekter av den allmänna relativitetsteorin och från och med det ögonblicket befinner sig partikeln på en öppen spiral i fritt fall som kommer att leda den genom resten av vägen ner till händelsehorisonten inom några få banor med en hastighet nära ljusets hastighet, där den slutar sin långa väg.

Existensen av denna speciella egenskap i skivan där stabila keplerska banor inte existerar visar sig vara av mycket stor betydelse. Eftersom materia fredligt kan kretsa i skivan överallt utanför denna speciella plats men inte inuti, innebär det att skivan visar sig ha ett “hål” i sig själv. Storleken på detta hål beror endast på det centrala svarta hålets egenskaper (dess massa och rotation). Om vi lyckas mäta hålets storlek kan vi därför dra slutsatser om egenskaperna hos själva det svarta hålet. Så spännande! Och astronomer har faktiskt kommit med en handfull idéer om hur man kan göra just det.