Hvor tæt kan du komme til et sort hul?

Strømme af gas falder ned til deres undergang, som kaster sig ned i sorte huller, der er låst væk fra universet for evigt. I deres sidste øjeblik sender disse gassy strimler en sidste lysstråle, nogle af de lyseste emissioner i universet. 

Disse døddykker er for langt væk til at kunne ses direkte, men astronomer har udtænkt en ny teknik til at opdage deres panikskrig om hjælp. De bruger metoden til at teste vores viden om tyngdekraft i de mest ekstreme miljøer i universet.

I en ny undersøgelse kiggede fysikere på specifikke træk ved det lys for at finde ud af det nærmeste du kan komme et sort hul uden at skulle arbejde hårdt for at forhindre katastrofe - en tærskel kaldet den inderste stabile cirkulære bane eller ISCO. Forskerne fandt, at deres metode kunne arbejde med mere følsomme røntgen-teleskoper, der kommer online. 

Relaterede: 9 ideer om sorte huller, der vil sprænge dit sind

Over vandfaldet

Begivenhedshorisonten for et sort hul er den usynlige linje-i-sand, på tværs af hvilken du aldrig kan vende tilbage. Når noget passerer gennem begivenhedshorisonten, selv lyset i sig selv, kan det ikke længere vende tilbage til universet. Det sorte huls tyngdekraft er bare for stærk i dette område.

Uden for et sort hul er alt imidlertid bare dandy. Et bestemt sort hul vil have en bestemt masse (hvor som helst fra et par gange solens masse for de mindre i galaksen op til milliarder af gange tyngre for de rigtige monstre, der strejfer om kosmos), og at kredset rundt om det sorte hul er ligesom kredser om noget andet med identisk masse. Tyngdekraft er bare tyngdekraft, og kredsløb er kredsløb.

Faktisk finder masser af ting i universet sig rundt i sorte huller. Når disse dumme eventyrere bliver fanget i det sorte huls tyngdekraften, begynder de rejsen mod slutningen. Når materialet falder mod det sorte hul, har det en tendens til at blive klemt ind i et barberhønt tynd bånd kendt som en akkretionsskive. Denne disk snurrer og spinder med varme, friktion og magnetiske og elektriske kræfter, der giver energi, hvilket får materialet til at gløde lys.

Når det gælder de mest massive sorte huller, lyser akkretionsskiverne omkring dem så intenst, at de får et nyt navn: aktive galaktiske kerner (AGN), der er i stand til at overskue millioner af individuelle galakser.

På akkretionsskiven gnider individuelle bits af materiale op mod andre bits, dræner dem for roterende energi og kører dem stadig indad til den gabende maw i det sorte huls begivenhedshorisont. Men alligevel, hvis det ikke var for disse friktionskræfter, ville materialet være i stand til at bane rundt om det sorte hul i evighed, på samme måde som planeterne kan bane rundt om solen i milliarder af år.

Et kald til hjælp

Når du kommer tættere på det sorte huls centrum, når du imidlertid et bestemt punkt, hvor alle håb om stabilitet er stukket mod tyngdeklipperne. Lige uden for det sorte hul, men inden de når begivenhedshorisonten, er tyngdekraften så ekstreme, at stabile kredsløb bliver umulige. Når du når dette område, kan du ikke forblive i rolig bane. Du har kun to valg: Hvis du har raketter eller en anden energikilde, kan du skubbe dig væk til sikkerhed. Men hvis du er en ulykkelig bunke af gas, er du dømt til at falde frit mod det ventende mørke mareridt nedenfor.

Denne grænse, den inderste stabile cirkulære bane (eller ISCO for elskere af astronomisk jargon), er en fast forudsigelse af Einsteins generelle relativitetsteori, den samme teori, der forudsiger eksistensen af ​​sorte huller i første omgang.

Relaterede: 8 måder, du kan se Einsteins relativitetsteori i det virkelige liv

På trods af den generelle relativitets succes med at forudsige og forklare fænomener i hele universet, og vores sikre viden om, at sorte huller er reelle, har vi aldrig været i stand til at bekræfte ISCO's eksistens, og om det er i overensstemmelse med forudsigelserne om generel relativitet.

Men den gas, der falder til dets undergang, kan muligvis give os en måde at verificere denne eksistens på.

Danselys

Et team af astronomer offentliggjorde for nylig en artikel i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, som også blev uploadet til det fortrykte tidsskrift arXiv, der beskriver, hvordan man drager fordel af det døende lys til at studere ISCO. Deres teknik er afhængig af et astronomisk trick kendt som efterklangskortlægning, der drager fordel af det faktum, at forskellige regioner omkring det sorte hul lyser op på forskellige måder.

Relaterede: Hvor fører sorte huller?

Når gas strømmer fra akkretionsskiven, forbi ISCO - den inderste del af akkretionsskiven - og ind i selve det sorte hul, bliver det så varmt, at det udsender et bredt skår af højenergi-røntgenstråling. Dette røntgenlys lyser i alle retninger væk fra det sorte hul. Vi kan se denne emission hele vejen fra Jorden, men detaljerne i tiltrædelsesdiskstrukturen går tabt i røven fra røntgenstråle. (At forstå mere om akkretionsdisken vil også hjælpe astrofysikere med at få et greb på ISCO.)

Det samme røntgenlys lyser også regioner godt uden for akkretionsskiven, regioner domineret af klumper af kold gas. Den kolde gas aktiveres af røntgenstrålene og begynder at udsende sit eget lys i en proces kaldet fluorescens. Vi kan også registrere denne emission, separat fra røntgenstråling, der stammer fra regionerne tættest på det sorte hul.

Det tager tid for lys at rejse udad fra ISCO og den ydre del af akkretionsskiven til den kolde gas; hvis vi holder øje med, kan vi først se de centrale regioner (ISCO og de inderste dele af akkretionsskiven) blusse, kort efterfulgt af "efterklang" -belysning af lagene uden for ISCO og den umiddelbart omgivende akkretionsskive.

Tidspunktet og detaljerne i det efterklangede lys afhænger af strukturen af ​​tiltrædelsesskiven, som astronomer tidligere har brugt til at estimere massen af ​​sorte huller. I denne seneste undersøgelse brugte forskere sofistikerede computersimuleringer for at se, hvordan bevægelsen af ​​gas inden i ISCO - hvordan gassen dør, når den endelig falder mod begivenhedshorisonten i sorte hul - påvirker emissionen af ​​røntgenstråler både i nærheden og i det ydre gas.

De fandt ud af, at selvom vi i øjeblikket ikke har følsomheden til at måle den dødsdømte gas, skal den næste generation af røntgen-teleskoper være i stand til det, så vi kan bekræfte eksistensen af ​​ICSO og teste, om den stemmer overens med forudsigelserne om generelle relativitet, måske i de mest gravitationsmæssigt ekstreme regioner i hele universet.

• De 12 mærkeligste objekter i universet
• Fra Big Bang til nutid: Snapshots af vores univers gennem tiden
• Stephen Hawkings mest vidtgående ideer om sorte huller

Oprindeligt offentliggjort den . 

TILBUD: Spar 45% på 'Sådan fungerer det' Alt om plads 'og' Alt om historie '!

I en begrænset periode kan du tegne et digitalt abonnement på et af vores mest solgte videnskabsmagasiner for kun $ 2,38 pr. Måned eller 45% rabat på standardprisen for de første tre måneder. Se tilbud