Sorte hul-modeller modsagt af praktiske tests

En langvarig, men ubevist antagelse om røntgenspektrene for sorte huller i rummet er blevet modsagt af praktiske eksperimenter udført på Sandia National Laboratories' Z-maskine.

Z, den mest energiske laboratorie røntgenkilde på Jorden, kan duplikere røntgenstrålerne omkring sorte huller, som ellers kun kan ses på stor afstand og derefter teoretiseres.

"Selvfølgelig, emission direkte fra sorte huller kan ikke observeres, " sagde Sandia-forsker og hovedforfatter Guillaume Loisel, hovedforfatter til et papir om de eksperimentelle resultater, udgivet i august i Fysiske anmeldelsesbreve . "Vi ser emission fra omgivende stof lige før det forbruges af det sorte hul. Dette omgivende stof tvinges ind i form af en skive, kaldet en accretion disk."

Resultaterne tyder på, at der er behov for revisioner af modeller, der tidligere blev brugt til at fortolke emissioner fra stof, lige før det forbruges af sorte huller, og også den relaterede væksthastighed af masse i de sorte huller. Et sort hul er et område i det ydre rum, hvorfra intet materiale og ingen stråling (dvs. røntgenstråler, synligt lys, og så videre) kan undslippe, fordi gravitationsfeltet i det sorte hul er så intenst.

"Vores forskning tyder på, at det vil være nødvendigt at omarbejde mange videnskabelige artikler offentliggjort i løbet af de sidste 20 år, " sagde Loisel. "Vores resultater udfordrer modeller, der bruges til at udlede, hvor hurtigt sorte huller sluger stof fra deres ledsagerstjerne. Vi er optimistiske om, at astrofysikere vil implementere de ændringer, der måtte være behov for."

De fleste forskere er enige om, at en god måde at lære om sorte huller på er at bruge satellitbaserede instrumenter til at indsamle røntgenspektre, sagde Sandia medforfatter Jim Bailey. "Fangsten er, at de plasmaer, der udsender røntgenstrålerne, er eksotiske, og modeller brugt til at fortolke deres spektre er aldrig blevet testet i laboratoriet indtil nu, " han sagde.

NASA-astrofysiker Tim Kallman, en af ​​medforfatterne, sagde, "Sandia-eksperimentet er spændende, fordi det er det tætteste nogen nogensinde er kommet på at skabe et miljø, der er en genskabelse af, hvad der foregår i nærheden af ​​et sort hul."

Teorien efterlader virkeligheden

Forskellen mellem teori og virkelighed begyndte for 20 år siden, da fysikere erklærede, at visse ioniseringsstadier af jern (eller ioner) var til stede i et sort huls tilvækstskive – stoffet omkring et sort hul – selv når ingen spektrallinjer indikerede deres eksistens. Den komplicerede teoretiske forklaring var, at under et sort huls enorme tyngdekraft og intens stråling, stærkt energiforsynede jernelektroner faldt ikke tilbage til lavere energitilstande ved at udsende fotoner - den almindelige kvanteforklaring på, hvorfor energiforsynede materialer udsender lys. I stedet, elektronerne blev befriet fra deres atomer og sneg sig af som enlige ulve i relativt mørke. Den generelle proces er kendt som Auger-henfald, efter den franske fysiker, der opdagede det i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Fraværet af fotoner i det sorte huls tilfælde kaldes Auger-destruktion, eller mere formelt, antagelsen om ødelæggelse af resonanssnegl.

Imidlertid, Z forskere, ved at duplikere røntgenenergier, der omgiver sorte huller, og påføre dem på en siliciumfilm på størrelse med de rigtige tætheder, viste, at hvis der ikke opstår fotoner, så er det genererende element der simpelthen ikke. Silicium er et rigeligt element i universet og oplever Auger-effekten oftere end jern. Derfor, hvis Resonant Auger Destruction sker i jern, bør det også ske i silicium.

"Hvis ødelæggelse af resonanssnegl er en faktor, det burde være sket i vores eksperiment, fordi vi havde de samme forhold, samme søjletæthed, samme temperatur, " sagde Loisel. "Vores resultater viser, at hvis fotonerne ikke er der, ionerne må heller ikke være der." Det vildledende enkle fund, efter fem års eksperimenter, sætter spørgsmålstegn ved de mange astrofysiske artikler baseret på antagelsen om Resonant Auger Destruction.

Z-eksperimentet efterlignede de forhold, der blev fundet i tilvækstskiver omkring sorte huller, som har tætheder mange størrelsesordener lavere end Jordens atmosfære.

"Selvom sorte huller er ekstremt kompakte objekter, deres tilvækstskiver - de store plasmaer i rummet, der omgiver dem - er relativt diffuse, " sagde Loisel. "På Z, vi udvidede silicium 50, 000 gange. Det er meget lav tæthed, fem størrelsesordener lavere end fast silicium."

Dette er en kunstners skildring af det sorte hul ved navn Cygnus X-1, dannet, da den store blå stjerne ved siden af ​​kollapsede i den mindre, ekstremt tæt stof. (Billede udlånt af NASA) Klik på thumbnailet for et billede i høj opløsning.

Spektrenes fortælling

Grunden til, at nøjagtige teorier om et sort huls størrelse og egenskaber er svære at finde, er manglen på førstehåndsobservationer. Sorte huller blev nævnt i Albert Einsteins generelle relativitetsteori for et århundrede siden, men blev først betragtet som et rent matematisk begreb. Senere, astronomer observerede de ændrede bevægelser af stjerner på gravitationelle bånd, mens de kredsede om deres sorte hul, eller senest, tyngdekraftsbølgesignaler, også forudsagt af Einstein, fra kollisioner af de sorte huller. Men de fleste af disse bemærkelsesværdige enheder er relativt små - omkring 1/10 af afstanden fra Jorden til Solen - og mange tusinde lysår væk. Deres relativt små størrelser på enorme afstande gør det umuligt at afbilde dem med det bedste af NASAs milliard-dollar-teleskoper.

Det, der kan observeres, er de spektre, der frigives af elementer i det sorte huls tilvækstskive, som så fører materiale ind i det sorte hul. "Der er masser af information i spektrene. De kan have mange former, " sagde NASAs Kallman. "Glødepærespektre er kedelige, de har toppe i den gule del af deres spektre. De sorte huller er mere interessante, med bump og vrikker i forskellige dele af spektrene. Hvis du kan fortolke de bump og vrikker, du ved hvor meget gas, hvor varmt, hvor ioniseret og i hvilket omfang, og hvor mange forskellige elementer er til stede i accretion disken."

Loisel sagde:"Hvis vi kunne gå til det sorte hul og tage en scoop af tilvækstskiven og analysere den i laboratoriet, det ville være den mest nyttige måde at vide, hvad accretion disken er lavet af. Men da vi ikke kan gøre det, vi forsøger at levere testede data til astrofysiske modeller."

Mens Loisel er klar til at sige R.I.P. til antagelsen om ødelæggelse af resonanssnegl, han er stadig klar over implikationerne af højere sorte huls masseforbrug, i dette tilfælde af det fraværende jern, er kun en af ​​flere muligheder.

"En anden implikation kunne være, at linjer fra de højt ladede jernioner er til stede, men linjerne er blevet fejlidentificeret indtil videre. Dette skyldes, at sorte huller skifter spektrallinjer enormt på grund af det faktum, at fotoner har svært ved at undslippe det intense gravitationsfelt, " han sagde.

Der er nu modeller, der bliver konstrueret andre steder for tilvækst-drevne objekter, der ikke anvender Resonant Auger Destruction-tilnærmelse. "Disse modeller er nødvendigvis komplicerede, og derfor er det endnu vigtigere at teste deres antagelser med laboratorieforsøg, " sagde Loisel.