¿Cómo puede un agujero negro supermasivo causar tanta energía para iluminar su materia cuando su gravedad masiva impide que la luz escape?

Para citar el artículo periodístico alemán Astronomen beobachten erwachendes Schwarzes Loch :

Das Materie-Monster sitzt den Angaben zufolge im Herzen der 42 Millionen Lichtjahre entfernten Polarring-Galaxie NGC 660, deren Aktivität innerhalb weniger Monate Hunderte Macho zugenommen hatte.

Primero wenn die Massemonster große Mengen Materie verschlucken, werden sie aktiv. Bei diesem Prozess wird so viel Energie frei, dass die Materie hell aufleuchtet, bevor sie im Schwarzen Loch verschwindet und ein Teil von ihr in Form von Jets weit ins Weltall hinaus geschleudert wird.

Esto se traduce aproximadamente a:

Según los datos, el monstruo de la materia se encuentra en medio de los 42 millones de años luz de la galaxia del anillo polar NGC 660, cuya actividad ha aumentado mucho en solo unos pocos meses.

Solo cuando estos monstruos de la materia tragan grandes cantidades de materia, se activan. Este proceso libera tanta energía que ilumina brillantemente la materia, antes de que desaparezca dentro del agujero negro. Una parte del asunto se despliega en el universo en forma de chorros.

Mi profesor de física me dijo una vez, que un agujero negro es solo un objeto muy pequeño y pesado que tiene tanta gravedad que nada, ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad. Esta explicación también es respaldada por esta astronomía SE: si nada viaja a la velocidad de la luz, excepto la luz, ¿cómo puede un agujero negro también atraer la luz hacia sí mismo? pregunta.

• Si un agujero negro "normal" (no supermasivo) ya puede evitar que la luz se escape, ¿cómo puede la materia que se introduce en el agujero negro puede producir energía / luz que no puede escapar de la gravedad del agujero negro?

• ¿Cómo puede un agujero negro supermasivo ser capaz de extraer materia, pero no los fotones de luz de la energía?

• Además: ¿Por qué parte de la materia que se introduce en el agujero negro se arroja (es decir, se acelera ) al universo? Entiendo por qué este asunto puede estar dividido: la aceleración aumenta hasta donde yo sé cuadrática, es decir, las diferencias en términos de la aceleración real, dependiendo de la ubicación, pueden ser tan grandes que el asunto no puede mantenerse unido. Pero no entiendo por qué una parte de la materia se acelera en la dirección exactamente opuesta , ya que se necesitaría una fuerza mayor como la gravedad del agujero negro supermasivo. Por lo tanto: ¿Por qué una parte de la materia se acelera en la dirección opuesta (es decir, fuera de la gravedad del agujero negro) que la otra parte?

Nota: Mi educación física es bastante limitada. Sé un poco sobre la gravedad newtoniana y un poco sobre la teoría de la conservación de la energía. Pero eso es todo lo que sé sobre física.

Es bastante correcto que un agujero negro tenga tanta masa que la luz no pueda escapar de una región alrededor del agujero negro. El borde de esta región se llama horizonte de eventos. Si cruzas un horizonte de eventos, nunca volverás. Eso se aplica igualmente a la luz y la materia.

Alrededor del agujero negro puede haber materia en órbita. Como el agujero negro tiene una gravedad tan fuerte, la velocidad de la materia en órbita será muy rápida. De hecho, estará cerca de la velocidad de la luz. Esta alta velocidad le da mucha energía. La materia formará un disco, llamado disco de acreción, alrededor del agujero negro, y las colisiones en este disco harán que la materia se caliente, a millones de grados. A estas temperaturas, el disco brillará con rayos X.

En la parte del disco más cercana al agujero negro, la materia caerá desde el disco, pero antes de que llegue al agujero negro puede obtener suficiente energía para ser expulsada, a muy alta velocidad, cerca de la velocidad de la luz. Se expulsa en ángulo recto al disco, en los polos del agujero negro. Estos son los "jets". Se produce radiación intensa a lo largo de estos chorros. Los Blazar son agujeros negros supermasivos distantes con chorros que nos apuntan directamente.

Entonces, el agujero negro en sí mismo es "negro", pero la materia que orbita a su alrededor puede ser muy brillante.

La luz proviene de fuera del horizonte de eventos del agujero negro.

La materia no puede caer en un agujero negro sin perder primero la mayor parte de su momento angular (de lo contrario, simplemente continuaría orbitando el agujero negro). Esto se logra mediante la transferencia hacia el exterior del momento angular por viscosidad (y otros medios) en un disco de acreción que rodea el agujero negro.

A medida que la materia se acerca al agujero negro, también pierde energía potencial gravitacional y esto entra en (i) calentar el gas y (ii) la radiación del gas.

Aproximadamente 3 veces el radio de Schwarzschild del agujero negro, la materia encuentra la órbita circular estable más interna , que es la más cercana que cualquier cosa con masa puede hacer una órbita estable alrededor de un agujero negro. Por lo general, se supone que desde allí el material cae en picado en el agujero negro y se "pierde" de nuestro universo, lo que aumenta la masa del agujero negro.

Entonces, toda la radiación proviene de material en órbita que es al menos 3 veces el radio de Schwarzschild desde el agujero negro. No hay problema para que la luz "escape" de esta posición, aunque está fuertemente desplazada hacia el rojo por la gravedad y el efecto doppler relativista transversal.

El tema de los "jets" ha sido cubierto por otra pregunta: ¿Por qué los agujeros negros tienen jets y discos de acreción?

Otra forma de decirlo es pensar por qué los planetas o satélites que orbitan a sus padres no caen en ellos. De manera similar, trozos de materia giran alrededor del agujero negro . En el proceso debido a la alta energía de su inercia, emiten algo de energía cuando se oponen a otras partículas. Entonces arrojan algo de masa en forma de luz.

Es importante que nos demos cuenta de que es la energía con el momento correcto (dirección y velocidad) lo que prepara una partícula para escapar de las garras de la gravedad. Así que si una partícula de luz tiene suficiente energía y se encamina en la dirección correcta , que será escapar de su órbita exterior más allá del horizonte de sucesos, por lo general en forma de chorros.

La luz emitida por tales chorros es de inmensa energía y generalmente se observa en el espectro gamma. Si está interesado en cómo se pueden usar estos chorros emitidos para estudiar el agujero negro o en general la física de partículas de alta energía, busque Astronomía de rayos gamma de muy alta energía. Hay clases enteras de objetos que emiten fotones gamma VHE y otras cosas intrigantes.