Een al lang bestaande maar onbewezen veronderstelling over de röntgenspectra van zwarte gaten in de ruimte is tegengesproken door praktische experimenten die zijn uitgevoerd op de Z-machine van Sandia National Laboratories.

Z, de meest energetische laboratoriumröntgenbron op aarde, kan de röntgenstralen rond zwarte gaten dupliceren die anders alleen op grote afstand kunnen worden bekeken en vervolgens kunnen worden getheoretiseerd.

"Natuurlijk, emissie rechtstreeks van zwarte gaten kan niet worden waargenomen, " zei Sandia-onderzoeker en hoofdauteur Guillaume Loisel, hoofdauteur voor een paper over de experimentele resultaten, gepubliceerd in augustus in Fysieke beoordelingsbrieven . "We zien emissie van omringende materie net voordat het wordt geconsumeerd door het zwarte gat. Deze omringende materie wordt in de vorm van een schijf gedwongen, een accretieschijf genoemd."

De resultaten suggereren dat herzieningen nodig zijn van modellen die eerder werden gebruikt om emissies van materie te interpreteren net voordat deze door zwarte gaten wordt geconsumeerd, en ook de daarmee samenhangende snelheid van massagroei in de zwarte gaten. Een zwart gat is een gebied in de ruimte waaruit geen materiaal en geen straling (d.w.z. Röntgenstralen, zichtbaar licht, enzovoort) kunnen ontsnappen omdat het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat zo intens is.

"Ons onderzoek suggereert dat het nodig zal zijn om veel wetenschappelijke artikelen die de afgelopen 20 jaar zijn gepubliceerd, te herwerken. " zei Loisel. "Onze resultaten dagen modellen uit om te concluderen hoe snel zwarte gaten materie van hun begeleidende ster opslokken. We zijn optimistisch dat astrofysici alle veranderingen zullen doorvoeren die nodig blijken te zijn."

De meeste onderzoekers zijn het erover eens dat een geweldige manier om meer te weten te komen over zwarte gaten is door satellietinstrumenten te gebruiken om röntgenspectra te verzamelen. zei Sandia co-auteur Jim Bailey. "Het addertje onder het gras is dat de plasma's die de röntgenstralen uitzenden exotisch zijn, en modellen die worden gebruikt om hun spectra te interpreteren zijn tot nu toe nooit in het laboratorium getest, " hij zei.

NASA-astrofysicus Tim Kallman, een van de co-auteurs, zei, "Het Sandia-experiment is opwindend omdat het het dichtst in de buurt komt van het creëren van een omgeving die een herschepping is van wat er in de buurt van een zwart gat gebeurt."

Theorie laat de realiteit achter

De divergentie tussen theorie en werkelijkheid begon 20 jaar geleden, toen natuurkundigen verklaarden dat bepaalde ionisatiestadia van ijzer (of ionen) aanwezig waren in de accretieschijf van een zwart gat - de materie rond een zwart gat - zelfs als er geen spectraallijnen waren die hun bestaan ​​aangaven. De ingewikkelde theoretische verklaring was dat onder de immense zwaartekracht van een zwart gat en intense straling, sterk geactiveerde ijzerelektronen vielen niet terug naar lagere energietoestanden door fotonen uit te zenden - de algemene kwantumverklaring van waarom energieke materialen licht uitstralen. In plaats daarvan, de elektronen werden bevrijd van hun atomen en slopen weg als eenzame wolven in relatieve duisternis. Het algemene proces staat bekend als Auger-verval, naar de Franse natuurkundige die het in het begin van de 20e eeuw ontdekte. De afwezigheid van fotonen in het geval van een zwart gat wordt Auger-destructie genoemd, of meer formeel, de aanname van Resonante Auger Destruction.

Echter, Z-onderzoekers, door röntgenenergieën die zwarte gaten omringen te dupliceren en deze met de juiste dichtheden op een dubbeltje siliciumfilm toe te passen, toonde aan dat als er geen fotonen verschijnen, dan is het genererende element er gewoon niet. Silicium is een overvloedig element in het universum en ervaart het Auger-effect vaker dan ijzer. Daarom, als Resonant Auger Destruction gebeurt in ijzer, dan zou het ook in silicium moeten gebeuren.

"Als Resonante Auger Destruction een factor is, het had in ons experiment moeten gebeuren omdat we dezelfde omstandigheden hadden, dezelfde kolomdichtheid, dezelfde temperatuur, " zei Loisel. "Onze resultaten laten zien dat als de fotonen er niet zijn, de ionen moeten er ook niet zijn." Die bedrieglijk simpele bevinding, na vijf jaar experimenteren, zet vraagtekens bij de vele astrofysische artikelen die gebaseerd zijn op de aanname van Resonant Auger Destruction.

Het Z-experiment bootst de omstandigheden na die worden aangetroffen in accretieschijven rond zwarte gaten, die een dichtheid hebben die vele orden van grootte lager is dan de atmosfeer van de aarde.

"Hoewel zwarte gaten extreem compacte objecten zijn, hun accretieschijven - de grote plasma's in de ruimte die hen omringen - zijn relatief diffuus, "zei Loisel. "Op Z, we hebben silicium 50 uitgebreid, 000 keer. Het is een zeer lage dichtheid, vijf orden van grootte lager dan vast silicium."

Dit is een kunstenaarsafbeelding van het zwarte gat genaamd Cygnus X-1, gevormd toen de grote blauwe ster ernaast instortte in de kleinere, extreem dichte materie. (Afbeelding met dank aan NASA) Klik op de miniatuur voor een afbeelding in hoge resolutie.

Het verhaal van de spectra

De reden waarom nauwkeurige theorieën over de grootte en eigenschappen van een zwart gat moeilijk te verkrijgen zijn, is het gebrek aan observaties uit de eerste hand. Zwarte gaten werden een eeuw geleden genoemd in de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, maar werden aanvankelijk als een puur wiskundig concept beschouwd. Later, astronomen observeerden de veranderde bewegingen van sterren aan zwaartekrachtkabels terwijl ze om hun zwarte gat cirkelden, of meest recentelijk, zwaartekracht-golf signalen, ook voorspeld door Einstein, van de botsingen van die zwarte gaten. Maar de meeste van deze opmerkelijke entiteiten zijn relatief klein - ongeveer 1/10 van de afstand van de aarde tot de zon - en vele duizenden lichtjaren verwijderd. Hun relatief kleine afmetingen op immense afstanden maken het onmogelijk om ze in beeld te brengen met de beste telescopen van NASA's miljarden dollars.

Wat waarneembaar is, zijn de spectra die vrijkomen door elementen in de accretieschijf van het zwarte gat, die vervolgens materiaal in het zwarte gat voedt. "Er is veel informatie in spectra. Ze kunnen vele vormen hebben, ", zei Kallman van NASA. "Gloeilampspectra zijn saai, ze hebben pieken in het gele deel van hun spectra. De zwarte gaten zijn interessanter, met hobbels en kronkels in verschillende delen van de spectra. Als je die hobbels en kronkels kunt interpreteren, je weet hoeveel benzine, hoe heet, hoe geïoniseerd en in welke mate, en hoeveel verschillende elementen er in de accretieschijf aanwezig zijn."

Loisel zei:"Als we naar het zwarte gat zouden kunnen gaan en een schep van de accretieschijf kunnen nemen en deze in het laboratorium kunnen analyseren, dat zou de handigste manier zijn om te weten waar de accretieschijf van is gemaakt. Maar aangezien we dat niet kunnen, we proberen geteste gegevens te leveren voor astrofysische modellen."

Terwijl Loisel klaar is om R.I.P. naar de aanname van Resonant Auger Destruction, hij is zich nog steeds bewust van de implicaties van een hogere massaconsumptie van zwarte gaten, in dit geval van het afwezige ijzer, is slechts een van de vele mogelijkheden.

"Een andere implicatie zou kunnen zijn dat lijnen van de sterk geladen ijzerionen aanwezig zijn, maar de lijnen zijn tot nu toe verkeerd geïdentificeerd. Dit komt omdat zwarte gaten spectraallijnen enorm verschuiven vanwege het feit dat fotonen moeite hebben om aan het intense gravitatieveld te ontsnappen, " hij zei.

Er zijn nu modellen die elders worden gebouwd voor accretie-aangedreven objecten die de Resonant Auger Destruction-benadering niet gebruiken. "Deze modellen zijn noodzakelijkerwijs ingewikkeld, en daarom is het nog belangrijker om hun aannames te testen met laboratoriumexperimenten, ' zei Loisel.