Logo Polskiego Radia
polskieradio.pl
Marta Kwasnicka 12.11.2010

Dlaczego żelazo "krzyczy", kiedy wpada do czarnej dziury?

Czarne dziury to niewyobrażalne monstra: pochłaniają olbrzymią ilość materii z otaczającego je kosmicznego sąsiedztwa (mgławice i gwiazdy), a ich apetyt rośnie w miarę jedzenia.
Symulacja czarnej dziury, w tle Droga Mleczna.Symulacja czarnej dziury, w tle Droga Mleczna.źr. Wikipedia, Ute Kraus, Axel Mellinger, lic. CC

Im są gęstsze, tym bardziej ich spiralna miotła przyspiesza i tym szersze rejony kosmosu zagarnia. Temperatura materii w pobliżu czarnej dziury sięga wielu milionów stopni Celsjusza i, zanim zniknie w czarnej otchłani, w kosmos wystrzela olbrzymia ilość promieniowania X. Ten ostatni krzyk wydaje żelazo – pierwiastek obecny w kosmicznej materii. Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka, specjalizujący się w fizyce nuklearnej, postanowili sprawdzić, co dokładnie zachodzi, kiedy materia znad czarnej dziury strzela w kosmos promieniami X.

Badacze skorzystali w tym celu z synchrotronu (szczególny typ akceleratora cyklicznego) promieni X w Helmholtz Zentrum w Berlinie, dla niepoznaki nazwanego BESSY II.

Jak się okazuje, aby najlepiej poznać naturę czarnej dziury, trzeba przyjrzeć się temu, w jaki sposób się posila. Najciekawszym momentem jest ten, w którym materia znajduje się tuż przed tzw. horyzontem zdarzeń, czyli granicą, za którą z masywnej czarnej paszczęki nie może już uciec nawet światło. Właśnie wtedy powstaje promieniowanie roentgenowskie, które pobudza „zasysane” cząstki do dalszej emisji promieni X, ale w bardzo charakterystyczny sposób, z ciekawymi liniami („kolorami”). Analiza tych linii dostarcza bezcennych informacji o gęstości, prędkości i składzie plazmy tuż przed horyzontem zdarzeń. To właśnie wówczas pierwszoplanową role gra żelazo.

Powszechne na Ziemi Fe nie jest najczęstszym składnikiem materii kosmicznej, ale, oczywiście, występuje i tam, chociaż nie tak licznie jak inne, lżejsze pierwiastki. Ma jednak jedna cenną cechę: doskonale absorbuje i reemituje promienie X. Spektrum linii żelaza jest jak odciski palców – nie do podrobienia. Odsłania wszystkie tajemnice materii tuz przed przekroczeniem przez nią horyzontu zdarzeń.

Promieniowanie roentgenowskie w czasie swojej drogi na zewnątrz dziury także jest absorbowane, ale radiacja jonizuje materię, tworząc naładowane promieniowaniem jony. I to właśnie temu zjawisku postanowili się przyjrzeć naukowcy za pomocą BESSY II. W sercu synchrotronu badacze umieścili pułapkę z naładowanych dodatnio cząstek, w której ukryli atomy żelaza, a następnie zaczęli ją podgrzewać strumieniem elektronów – dokładnie tak, jak miałoby to miejsce np. w Słońcu lub w poblizu czarnej dziury. Następnie uderzali w jony promieniami X.

To bezcenny eksperyment. Linie spektralne zmierzone w BESSY II mogą być bezpośrednio porównane z danymi pochodzącymi z obserwacji m.in. kosmicznych teleskopów takich jak Chandra i XMM-Newton. Obydwa oglądaja niebo w promieniach Roentgena.

Jak dotąd, wszystkie teoretyczne modele nie były w stanie odpowiednio precyzyjnie przewidzieć rozkładu fal spektralnych. Było to nie lada problemem, ponieważ, nie wiedząc, jak owe fale wyglądaja „u źródła”, naukowcy nie byli w stanie opracować modelu efektu Dopplera dla tych linii, to zaś utrudniało jakiekolwiek dalsze obliczenia.

Analizy badaczy z Instytutu Maxa Plancka wskazały, który z istniejących modeli daje dane najblizsze tym, które rzeczywiście są obserwowane. To zaś wielki krok w fizyce czarnych dziur.

(ew)