Så driver svarta hål kvasarer



















Maskhål

 

Precis som alla andra objekt i världsrymden så har svarta hål alltid ett rotationsmoment. Rotationen gör att rumtiden i dess omgivning släpas med i det svarta hålets rotation. Rotationen, som är mycket snabb hos det mycket kompakta objektet, gör att all omgivande materia förr eller senare får samma rotationsriktning som det svarta hålet. Eftersom det svarta hålet fungerar som ett gyroskop så samlas materian i en ackreationsskiva som sakta dras inåt. När materia närmar sig det svarta hålet så bidrar dess rotationsmoment till att öka det svarta hålets rotationsmoment. Detta, i kombination med att centrifugalkraften från det svarta hålets rotation hindrar ytterligare materia från att dras inåt om rotationshastigheten blir för stor, leder till att svarta hål oftast har en rotationshastighet som är i närheten av den maximala, d v s horisonten vid ekvatorn har en rotationshastighet som är precis under ljushastigheten. Den minimala periodtiden för rotationen blir därmed Minimal rotationstid sekunder. Det är inte i huvudsak det att materia dras in i det svarta hålet som leder till den otroliga energiproduktionen utan att den omgivande materien till största delen består av laddade partiklar (t ex moln av joniserat väte). Elektriskt laddad materia som rör sig ger upphov till magnetiska fältlinjer. Hur energin i dessa magnetiska fältlinjer överförs till energi förklaras fysikaliskt i rumtidsparadigmet genom Blandford-Znajek processen.

Blandford-Znajek processen (Courtesy Kip Thorne)
Blandford-Znajek processen sedd på två olika sätt. Dels att rotationen hos det svarta hålet skapar en rotation av rumtiden som tvingar de magnetiska fältlinjerna som är kopplade till ytan att rotera och därmed accelerera plasma till höga hastigheter. Dels genom att en elektrisk potential bildas mellan olika magnetiska fältlinjer som driver en ström genom en sluten krets och därmed överför energi till plasma som accelereras.

Denna process är dock inte särskilt intuitiv utan förklaras mycket bättre inom membranparadigmet. De magnetiska fältlinjerna är till att börja med mycket komplexa lokalt sett. När de samverkar med det svarta hålets membran så induceras virvelströmmar i membranet som bara lämnar ordnade fältlinjer kvar vars riktning är ordnad i samma riktning som hålets axel. När de laddade partiklarna, som är kvar i de relativt med axeln parallellt ordnade fältlinjerna, avlägsnar sig från det svarta hålet så roterar de runt de magnetiska fältlinjerna och överför därigenom kinetisk energi till elektromagnetisk i form av synkrotronstrålning. När partiklarna når ut till en viss radie från det svarta hålet så överstiger rotationshastigheten hos fältlinjerna ljushastigheten. De laddade partiklar, som ju endast kan röra sig i hastigheter under ljushastigheten, sackar därför efter i rotationen. Detta leder till att magnetfälten utövar en kraft på de inducerade strömmarna som retarderar rotationen hos membranet. Detta tillåter lite mer materia att falla ner i det svarta hålet och ytterligare öka dess massa. Laddade partiklar slungas alltså ut och bildar en jet någorlunda parallell med det svarta hålets rotationsaxel liknande de som roterande neutronstjärnor, vanligtvis kallade pulsarer, har. Neutronstjärnor, som trots namnet också består av elektroner och protoner i de yttre lagren, är supraledande vilket gör att de magnetiska fältlinjerna fryses och roterar med den snabbt roterande pulsaren och formar smala och väl definierade jets. Svarta hål är inte supraledande, de har ju enligt membranparadigmet en resistans som är relativt stora 377 Ohm. Detta leder till att svarta hål bara kan behålla det magnetiska fältet så länge som joniserad materia är närvarande i form av en ansamlingsskiva. Dessutom så leder det till att jetsen inte blir lika väldefinierande som i fallet med neutronstjärnan eftersom fältlinjerna glider mot membranet till följd av dess resistans. En otrolig potentialskillnad skapas mellan det svarta hålets ekvator och dess poler och man kan tänka sig det svarta hålet som ett jättelikt batteri som driver en ström genom det omkringliggande mediet från pol till ekvator.

Roterande svart hal fungerande som batteri (Courtesy Kip Thorne)
Det svarta hålet fungerar som ett batteri med omgivningen och bildar tillsammans med denna en sluten krets.

Anledningen till kvasarerna vanligtvis väldigt stora rödförskjutning är alltså att de främst var aktiva tidigt i universums historia då de supermassiva svarta hålen, som befinner sig inuti galaxernas kärnor, matades med tillräckligt mycket materia för att hålla de svarta hålen aktiva.

Tillbaka till Kosmologikas hemsida Nästa sida