จานพอกพูนมวล: เครื่องปั่นพลังงานรอบหลุมดำ

เมื่อแก๊สตกเข้าหาวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงสูง เช่น หลุมดำ ดาวนิวตรอน ดาวแคระขาว หรือดาวเกิดใหม่ แก๊สนั้นแทบไม่เคยพุ่งเข้าไปตรง ๆ เพราะมันมีการหมุนติดมาด้วยเสมอ การหมุนเพียงเล็กน้อยตอนอยู่ไกลจะเร็วขึ้นมากเมื่อเข้าใกล้ เหมือนนักสเก็ตที่หุบแขนแล้วหมุนเร็วขึ้น ผลคือแก๊สแบนลงเป็นจานที่หมุนรอบวัตถุศูนย์กลาง เรียกว่าจานพอกพูนมวล

ปัญหาของโมเมนตัมเชิงมุม

แก๊สในจานโคจรเกือบเป็นวงกลม ถ้าไม่มีอะไรเกิดขึ้น มันก็จะโคจรไปตลอดโดยไม่ตกลงไป การที่แก๊สจะไหลเข้าด้านในได้ต้องเสียโมเมนตัมเชิงมุมให้แก๊สชั้นนอก ปัจจุบันเชื่อว่ากลไกหลักคือความปั่นป่วนที่เกิดจากสนามแม่เหล็กในแก๊สที่แตกตัวเป็นไอออน ซึ่งทำหน้าที่เหมือนแรงเสียดทาน แก๊สส่วนใหญ่ค่อย ๆ ไหลเข้าด้านใน ขณะที่โมเมนตัมเชิงมุมถูกส่งออกด้านนอก

แรงเสียดทานทำให้ร้อน

ขณะไหลเข้า แก๊สเสียพลังงานศักย์โน้มถ่วง ครึ่งหนึ่งเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของการโคจรที่เร็วขึ้น อีกครึ่งกลายเป็นความร้อนแล้วแผ่ออกมาเป็นแสง กำลังส่องสว่างของจานจึงประมาณได้เป็น จานจึงสว่างมากขึ้นเมื่อมวลไหลเข้าเร็วขึ้น และเมื่อวัตถุตรงกลางมีมวลมากและอัดแน่น

เมื่อ \dot M คืออัตราที่มวลไหลเข้า และ R คือรัศมีด้านในของจาน ยิ่งวัตถุอัดแน่น (รัศมีเล็ก) พลังงานยิ่งมาก จานรอบดาวแคระขาวร้อนพอจะเปล่งแสงอัลตราไวโอเลต จานรอบดาวนิวตรอนและหลุมดำร้อนหลายล้านเคลวินจนเปล่งรังสีเอกซ์ อุณหภูมิของจานสูงขึ้นเมื่อเข้าใกล้ใจกลาง ตามประมาณ T\propto r^{-3/4}

มีประสิทธิภาพมากกว่านิวเคลียร์

ฟิวชันไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมในดาวฤกษ์เปลี่ยนมวลเป็นพลังงานได้เพียงราว 0.7% ส่วนสสารที่ไหลเข้าสู่หลุมดำ ก่อนจะข้ามวงโคจรเสถียรวงในสุดไป ปล่อยพลังงานได้ราว 6% ของพลังงานมวล (mc²) สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุน และสูงถึงราว 30% หรือมากกว่าสำหรับหลุมดำที่หมุนเร็วมาก นี่คือเหตุผลที่ควอซาร์ซึ่งขับเคลื่อนด้วยจานพอกพูนมวลรอบหลุมดำมวลยวดยิ่ง สว่างกว่าดาราจักรทั้งดาราจักรหลายร้อยเท่า

พบได้ที่ไหนบ้าง

• ดาวเกิดใหม่ จานรอบดาวอายุน้อยคือที่ที่ดาวเคราะห์ก่อตัว
• ดาวคู่แบบแปรแสงฉับพลัน ดาวแคระขาวดูดแก๊สจากดาวคู่ เกิดโนวาได้
• ดาวคู่รังสีเอกซ์ ดาวนิวตรอนหรือหลุมดำมวลดาวฤกษ์ดูดแก๊สจากดาวคู่
• นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ หลุมดำมวลยวดยิ่งใจกลางดาราจักร ซึ่งมักพ่นเจ็ตความเร็วใกล้แสงออกตามแนวขั้วของจาน

วงแหวนสว่างในภาพหลุมดำ M87* และ Sgr A* ที่ถ่ายโดยกล้องอีเวนต์ฮอไรซันก็คือแสงจากแก๊สร้อนที่ไหลวนอยู่ใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์