Jak blisko możesz dostać się do czarnej dziury?

Strumienie gazu spadają ku upadkowi, zanurzając się w czarne dziury, na zawsze odcięte od wszechświata. W ostatnich chwilach te gazowe strzępki wysyłają ostatni błysk światła, jedne z najjaśniejszych emisji we wszechświecie. 

Te śmiertelne nurkowania są zbyt daleko, aby można je było zobaczyć bezpośrednio, ale astronomowie opracowali nową technikę wykrywania ich spanikowanych wołań o pomoc. Używają tej metody, aby sprawdzić naszą wiedzę o grawitacji w najbardziej ekstremalnych środowiskach we wszechświecie.

W nowym badaniu fizycy przyjrzeli się specyficznym cechom tego światła, aby ustalić najbliższy obiekt czarnej dziury, jaki można dostać się bez konieczności ciężkiej pracy, aby zapobiec katastrofie - próg zwany najbardziej wewnętrzną stabilną orbitą kołową lub ISCO. Naukowcy odkryli, że ich metoda może działać z bardziej czułymi teleskopami rentgenowskimi udostępnianymi online. 

Związane z: 9 pomysłów na czarne dziury, które oszaleją

Nad wodospadem

Horyzont zdarzeń czarnej dziury to niewidzialna linia w piasku, przez którą nigdy nie można wrócić. Gdy cokolwiek przejdzie przez horyzont zdarzeń, nawet samo światło, nie może już wrócić do wszechświata. W tym regionie grawitacja czarnej dziury jest po prostu zbyt silna.

Jednak poza czarną dziurą wszystko jest po prostu eleganckie. Określona czarna dziura będzie miała określoną masę (od kilku razy większej od masy Słońca w przypadku mniejszych w galaktyce do miliardów razy cięższej dla prawdziwych potworów wędrujących po kosmosie), a okrążanie czarnej dziury jest takie samo jak orbitujące wokół czegokolwiek innego o identycznej masie. Grawitacja to po prostu grawitacja, a orbity to orbity.

Rzeczywiście, wiele rzeczy we wszechświecie krąży wokół czarnych dziur. Gdy ci nierozsądni poszukiwacze przygód zostaną złapani w grawitacyjny uścisk czarnej dziury, rozpoczynają podróż do końca. Gdy materiał opada w kierunku czarnej dziury, ma tendencję do wciskania się w cienki jak brzytwa pas zwany dyskiem akrecyjnym. Ten dysk wiruje i obraca się z ciepłem, tarciem oraz siłami magnetycznymi i elektrycznymi, które go zasilają, powodując, że materiał jasno świeci.

W przypadku najbardziej masywnych czarnych dziur dyski akrecyjne wokół nich świecą tak intensywnie, że otrzymują nową nazwę: aktywne jądra galaktyk (AGN), zdolne do przyćmienia milionów pojedynczych galaktyk..

W dysku akrecyjnym pojedyncze fragmenty materii ocierają się o inne fragmenty, wysysając z nich energię obrotową i kierując je zawsze do wewnątrz, do ziejącej paszczy horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Ale mimo to, gdyby nie te siły tarcia, materiał byłby w stanie krążyć wokół czarnej dziury w nieskończoność, tak samo jak planety mogą krążyć wokół Słońca przez miliardy lat.

Wołanie o pomoc

Jednak zbliżając się do środka czarnej dziury, docierasz do pewnego punktu, w którym wszelkie nadzieje na stabilność spadają na skały grawitacji. Tuż za czarną dziurą, ale przed osiągnięciem horyzontu zdarzeń, siły grawitacyjne są tak ekstremalne, że stabilne orbity stają się niemożliwe. Po dotarciu do tego regionu nie możesz pozostać na spokojnej orbicie. Masz tylko dwie możliwości: jeśli masz rakiety lub inne źródło energii, możesz odepchnąć się w bezpieczne miejsce. Ale jeśli jesteś nieszczęśliwym kawałkiem gazu, jesteś skazany na swobodny spadek w kierunku czekającego poniżej mrocznego koszmaru.

Ta granica, najbardziej wewnętrzna stabilna orbita kołowa (lub ISCO dla miłośników żargonu astronomicznego), jest mocną prognozą ogólnej teorii względności Einsteina, tej samej teorii, która przewiduje przede wszystkim istnienie czarnych dziur..

Związane z: 8 sposobów, w jakie możesz zobaczyć teorię względności Einsteina w prawdziwym życiu

Pomimo sukcesu ogólnej teorii względności w przewidywaniu i wyjaśnianiu zjawisk we wszechświecie oraz naszej pewnej wiedzy, że czarne dziury są prawdziwe, nigdy nie byliśmy w stanie zweryfikować istnienia ISCO i czy jest on zgodny z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

Ale gaz, który spadnie na swoją zagładę, może nam umożliwić zweryfikowanie tego istnienia.

Tańczące światła

Zespół astronomów niedawno opublikował artykuł w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, który również został przesłany do czasopisma arXiv, opisujący, jak wykorzystać to gasnące światło do badania ISCO. Ich technika opiera się na astronomicznej sztuczce znanej jako mapowanie pogłosu, która wykorzystuje fakt, że różne obszary wokół czarnej dziury świecą na różne sposoby.

Związane z: Dokąd prowadzą czarne dziury?

Kiedy gaz przepływa z dysku akrecyjnego, mija ISCO - najbardziej wewnętrzną część dysku akrecyjnego - i do samej czarnej dziury, staje się tak gorący, że emituje szeroki zakres wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. To promieniowanie rentgenowskie świeci we wszystkich kierunkach z dala od czarnej dziury. Możemy zobaczyć tę emisję aż z Ziemi, ale szczegóły struktury dysku akrecyjnego giną w blasku chwały rentgenowskiej. (Więcej informacji na temat dysku akrecyjnego pomoże astrofizykom również zrozumieć ISCO).

To samo promieniowanie rentgenowskie oświetla również obszary znajdujące się daleko poza dyskiem akrecyjnym, obszary zdominowane przez skupiska zimnego gazu. Zimny ​​gaz zostaje pobudzony przez promienie rentgenowskie i zaczyna emitować własne światło w procesie zwanym fluorescencją. Możemy również wykryć tę emisję, niezależnie od promieniowania rentgenowskiego emanującego z regionów znajdujących się najbliżej czarnej dziury.

Światło potrzebuje czasu, aby przejść na zewnątrz z ISCO i zewnętrznej części dysku akrecyjnego do zimnego gazu; jeśli przyjrzymy się uważnie, możemy najpierw zaobserwować rozbłyski centralnych regionów (ISCO i najbardziej wewnętrzne części dysku akrecyjnego), po czym następuje „pogłosowe” rozświetlenie warstw poza ISCO i bezpośrednio otaczającego dysku akrecyjnego.

Czas i szczegóły odbicia światła zależą od struktury dysku akrecyjnego, którego astronomowie używali wcześniej do oszacowania masy czarnych dziur. W tym najnowszym badaniu naukowcy wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe, aby zobaczyć, jak ruch gazu w ISCO - jak gaz umiera, gdy ostatecznie spada w kierunku horyzontu zdarzeń czarnej dziury - wpływa na emisję promieni rentgenowskich zarówno w pobliżu, jak i na zewnątrz gaz.

Odkryli, że chociaż obecnie nie mamy czułości do pomiaru skazanego na zagładę gazu, następna generacja teleskopów rentgenowskich powinna być w stanie to zrobić, co pozwoli nam potwierdzić istnienie ICSO i sprawdzić, czy zgadza się z przewidywaniami ogólnego względności, w być może najbardziej ekstremalnych grawitacyjnie regionach całego wszechświata.

• 12 najdziwniejszych obiektów we wszechświecie
• Od Wielkiego Wybuchu do współczesności: Migawki naszego wszechświata w czasie
• Najbardziej odległe pomysły Stephena Hawkinga na temat czarnych dziur

Pierwotnie opublikowano w dniu . 

OFERTA: Zaoszczędź 45% na „Jak to działa” „Wszystko o kosmosie” i „Wszystko o historii”!

Przez ograniczony czas możesz wykupić cyfrową subskrypcję dowolnego z naszych najlepiej sprzedających się czasopism naukowych za jedyne 2,38 USD miesięcznie lub 45% zniżki od ceny standardowej przez pierwsze trzy miesiące. Zobacz ofertę