Ett långvarigt men obevisat antagande om röntgenspektra av svarta hål i rymden har motsatts av praktiska experiment som utförts på Sandia National Laboratories Z-maskin.

Z, den mest energiska laboratorieröntgenkällan på jorden, kan kopiera röntgenstrålarna som omger svarta hål som annars bara kan ses på ett stort avstånd och sedan teoretiseras om.

"Självklart, utsläpp direkt från svarta hål kan inte observeras, "säger Sandia -forskaren och huvudförfattaren Guillaume Loisel, huvudförfattare för ett papper om de experimentella resultaten, publicerad i augusti i Fysiska granskningsbrev . "Vi ser utsläpp från omgivande materia strax innan det förbrukas av det svarta hålet. Denna omgivande materia tvingas till formen av en skiva, kallas en ackresionsskiva. "

Resultaten tyder på att revideringar behövs av modeller som tidigare använts för att tolka utsläpp från materia strax innan de förbrukas av svarta hål, och även den relaterade tillväxthastigheten för massan inom de svarta hålen. Ett svart hål är ett område i yttre rymden från vilket inget material och ingen strålning (det vill säga Röntgen, synligt ljus, och så vidare) kan fly eftersom gravitationsfältet i det svarta hålet är så intensivt.

"Vår forskning tyder på att det kommer att bli nödvändigt att omarbeta många vetenskapliga artiklar som publicerats under de senaste 20 åren, "Loisel sa." Våra resultat utmanar modeller som används för att utläsa hur snabbt svarta hål sväljer materia från deras följeslagare. Vi är optimistiska att astrofysiker kommer att genomföra alla förändringar som behövs. "

De flesta forskare är överens om att ett bra sätt att lära sig om svarta hål är att använda satellitbaserade instrument för att samla röntgenspektra, sa Sandia medförfattare Jim Bailey. "Fångsten är att de plasma som avger röntgenstrålar är exotiska, och modeller som används för att tolka sina spektra har aldrig testats i laboratoriet förrän nu, " han sa.

NASA:s astrofysiker Tim Kallman, en av medförfattarna, sa, "Sandia-experimentet är spännande eftersom det är det närmaste någon någonsin har kommit att skapa en miljö som återskapar vad som händer nära ett svart hål."

Teori lämnar verkligheten bakom sig

Skillnaden mellan teori och verklighet började för 20 år sedan, när fysiker förklarade att vissa joniseringsstadier av järn (eller joner) fanns i ett svart håls ansamlingsskiva - frågan kring ett svart hål - även när inga spektrallinjer indikerade deras existens. Den komplicerade teoretiska förklaringen var att under ett svart håls enorma tyngdkraft och intensiv strålning, högaktiverade järnelektroner tappade inte tillbaka till lägre energitillstånd genom att avge fotoner - den vanliga kvantförklaringen till varför energiserade material avger ljus. Istället, elektronerna befriades från sina atomer och slank av som ensamma vargar i relativt mörker. Den allmänna processen är känd som Auger decay, efter den franska fysikern som upptäckte det i början av 1900 -talet. Frånvaron av fotoner i det svarta hålet kallas Auger förstörelse, eller mer formellt, antagandet om Resonant Auger Destruction.

Dock, Z -forskare, genom att duplicera röntgenenergier som omger svarta hål och applicera dem på en silikonfilm i rätt storlek med rätt densitet, visade att om inga fotoner dyker upp, då är det genererande elementet helt enkelt inte där. Kisel är ett rikligt element i universum och upplever Auger -effekten oftare än järn. Därför, om Resonant Auger Destruction händer i järn så borde det också hända i kisel.

"Om förstörelse av resonansskruvar är en faktor, det borde ha hänt i vårt experiment eftersom vi hade samma förutsättningar, samma kolumn densitet, samma temperatur, "sa Loisel." Våra resultat visar att om fotonerna inte finns där, jonerna får inte heller finnas där. "Det bedrägligt enkla fyndet, efter fem års experiment, ifrågasätter de många astrofysiska artiklarna baserade på antagandet Resonant Auger Destruction.

Z -experimentet efterliknade förhållandena som finns på ackretionsskivor som omger svarta hål, som har densiteter många storleksordningar lägre än jordens atmosfär.

"Även om svarta hål är extremt kompakta föremål, deras ackretionsskivor - de stora plasma i rymden som omger dem - är relativt diffusa, "sa Loisel." På Z, vi expanderade kisel 50, 000 gånger. Det är mycket låg densitet, fem storleksordningar lägre än fast kisel. "

Detta är en konstnärs skildring av det svarta hålet som heter Cygnus X-1, bildades när den stora blå stjärnan bredvid den kollapsade i den mindre, extremt tät materia. (Bild med tillstånd av NASA) Klicka på miniatyrbilden för en högupplöst bild.

Spektrets berättelse

Anledningen till att exakta teorier om ett svart håls storlek och egenskaper är svåra att komma fram till är bristen på förstahandsobservationer. Svarta hål nämndes i Albert Einsteins allmänna relativitetsteori för ett sekel sedan men ansågs först som ett rent matematiskt begrepp. Senare, astronomer observerade stjärnornas förändrade rörelser på gravitationstetrarna när de cirklade runt deras svarta hål, eller senast, gravitation-vågsignaler, också förutsagt av Einstein, från kollisioner av de svarta hålen. Men de flesta av dessa anmärkningsvärda enheter är relativt små - ungefär 1/10 avståndet från jorden till solen - och många tusen ljusår bort. Deras relativt små storlekar på enorma avstånd gör det omöjligt att avbilda dem med de bästa av NASA:s miljarder teleskop.

Det som kan observeras är spektren som frigörs av element i det svarta hålets ackretionsskiva, som sedan matar in material i det svarta hålet. "Det finns mycket information i spektra. De kan ha många former, "sade NASA:s Kallman." Glödlampor är tråkiga, de har toppar i den gula delen av sina spektra. De svarta hålen är mer intressanta, med stötar och vickor i olika delar av spektra. Om du kan tolka dessa stötar och vickor, du vet hur mycket gas, hur varmt, hur joniserat och i vilken utsträckning, och hur många olika element som finns på ackretionsskivan. "

Loisel sa:"Om vi ​​kunde gå till det svarta hålet och ta en skopa av ackretionsskivan och analysera det i labbet, det skulle vara det mest användbara sättet att veta vad ackretionsskivan är gjord av. Men eftersom vi inte kan göra det, Vi försöker tillhandahålla testade data för astrofysiska modeller. "

Medan Loisel är redo att säga R.I.P. till antagandet om Resonant Auger Destruction, han är fortfarande medveten om konsekvenserna av högre massförbrukning av svarta hål, i detta fall av det frånvarande järnet, är bara en av flera möjligheter.

"En annan implikation kan vara att linjer från de högladdade järnjonerna finns, men linjerna har hittills blivit felidentifierade. Detta beror på att svarta hål förskjuter spektrala linjer enormt på grund av det faktum att fotoner har svårt att fly från det intensiva gravitationen, " han sa.

Det finns nu modeller som konstrueras någon annanstans för ackretionsdrivna föremål som inte använder Resonant Auger Destruction-approximationen. "Dessa modeller är nödvändigtvis komplicerade, och därför är det ännu viktigare att testa sina antaganden med laboratorieexperiment, "Sa Loisel.