Fizyka dla każdego

W kwietniu media na całym świecie poinformowały o uzyskaniu pierwszego zdjęcia czarnej dziury.

Obraz otrzymano dzięki sieci połączonych ze sobą radioteleskopów z całego świata, w projekt zaangażowanych jest ponad 200 naukowców.

Tak naprawdę widzimy na zdjęciu oczywiście otoczenie czarnej dziury w galaktyce M87 w Pannie.

Masę tego centralnego obiektu szacuje się na 3-7 miliardów mas Słońca, tj. 1000 razy więcej niż centralnej czarnej dziury w naszej Galaktyce.

Korzystając z prostego wzoru Schwarzschilda na promień grawitacyjny możemy oszacować, że w tym przypadku mieści się on w granicach 9-21 miliardóww km, czyli 60-140 jednostek astronomicznych (promień orbity Neptuna to ok. 30 j.a.., Voyagery są aktualnie w odległości ok. 145 i 120 j.a.). 

Samej czarnej dziury zobaczyć się nie da, natomiast intensywnie świeci materia w otaczającym horyzont zdarzeń dysku akrecyjnym (czym jest dysk akrecyjny? - patrz niżej)..

Procesy zachodzące w otoczeniu czarnej dziury przedstawia schematycznie poniższy rysunek NASA:

O czarnych dziurach pisaliśmy na stronach Fizyki Współczesnej, można tam też znaleźć zdjęcie, którym dysponowaliśmy znacznie wcześniej, zanim wykonano słynny już na cały świat obraz.

Dysk akrecyjny to wirująca struktura uformowana przez pył i gaz, opadający na silne źródło grawitacji.

Obiektem centralnym przyciągającym grawitacyjnie wirującą materię jest najczęściej czarna dziura, gwiazda neutronowa, biały karzeł bądź młoda gwiazda. Dyski akrecyjne różnią się od struktury typu pierścieni Saturna opadaniem materii ku centrum grawitacyjnemu w wyniku działania lepkości. Siły lepkie są niezbędne, aby materia obdarzona momentem pędu i znajdująca się na orbicie w przybliżeniu kołowej mogła zacieśnić orbitę.

Zacieśnianiu orbity kołowej towarzyszy przekazanie części momentu pędu zewnętrznym obszarom dysku akrecyjnego oraz zamiana części energii potencjalnej na ciepło, a także wzrost prędkości liniowej cząstek. Wytworzone ciepło jest wyświecane jako promieniowanie elektromagnetyczne. Zakres widmowy tego promieniowania zależy od typu obiektu centralnego: dyski akrecyjne wokół młodych gwiazd świecą w podczerwieni, dyski akrecyjne wokół gwiazd neutronowych i czarnych dziur świecą w zakresie rentgenowskim, zaś dyski akrecyjne w kwazarach widoczne są przede wszystkim w zakresie optycznym i nadfioletowym.

Na dyski akrecyjne formujące się wokół czarnych dziur działają znaczne siły grawitacyjne, a lepkość powoduje duże tarcie, szczególnie tuż przy horyzoncie. W galaktycznych czarnych dziurach, takich jak Cygnus X-1, materia rozgrzewa się wtedy do temperatury rzędu miliona kelwinów, emitując promieniowanie rentgenowskie. Dyski w kwazarach nie są tak gorące, ale za to niezwykle jasne – mogą emitować więcej promieniowania niż całe galaktyki.

O cienkich dyskach akrecyjnych wokół czarnych dziur czytaj w pracy Abramowicza, Czerny, Lasoty i Szuszkiewicz.