Black holes, radiation and accretion disks

Abstract

In this work, we study the thermal radiation emitted by the material of an accretion disk that swirls around an astrophysical black hole. This radiation has important repercussions on systems in strong gravity environments due to the consequent emergence of Poynting – Robertson braking. This force alters the plasma electron kinematics and restates the matter equilibrium conditions and hence the disk stability. We formulate and execute computational calculations in curved spacetimes in order to determine if the observed radiation is as negligible as it is often considered to be, or if it is strong enough to bring about modifications. We additionally investigate which disk models of different properties display stronger exerted radiation forces, particular accelerations, or notable phenomena. The results of our study reveal that these radiation forces are indeed noteworthy and cannot be deemed inconsequential or redundant in studies involving accretion disks orbiting massive objects. The various disk models examined demonstrate particular properties each, along with characteristics that do not appear in the same manner for the rest of the models. Our results also suggest that the primary attribute determining the magnitude of the recorded radiation forces is not the disk volume, but instead the density gradient. Furthermore, by using the generated radiation data, we can recalculate the stability of the particle trajectories. These data demonstrate that the thermal radiation can effortlessly lead to prompt material escape, a fact that is counteracted, however, by the electric and magnetic forces acting at particle level. Moreover, we present numerically generated images of the anticipated stellar black hole observations and a related method used to estimate the black hole spin with promising results. Finally, we examine the consequences of the electron orbit modification and the ensuing electromagnetic phenomena. We study the Cosmic Battery mechanism and ascertain the capability of magnetic field generation by the radiation without the presence of a seed field. Our results show that there are several cases where this mechanism can generate equipartition-level magnetic fields in adequately short timescales.

Σε αυτήν την εργασία μελετάμε τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από το υλικό ενός δίσκου προσαύξησης που στροβιλίζεται γύρω από μια αστροφυσική μελανή οπή. Αυτή η ακτινοβολία έχει σημαντικές επιπτώσεις σε συστήματα ισχυρής βαρύτητας εξαιτίας της επακόλουθης εμφάνισης της πέδησης Poynting-Robertson. Αυτή η δύναμη μεταβάλλει την κινηματική των ηλεκτρονίων του πλάσματος και επαναδιατυπώνει τις συνθήκες ισορροπίας της ύλης και επομένως της σταθερότητας του δίσκου. Κατασκευάζουμε και εκτελούμε αριθμητικούς υπολογισμούς σε καμπύλους χωρόχρονους με σκοπό να προσδιορίσουμε αν η παρατηρούμενη ακτινοβολία είναι τόσο αμελητέα όσο συχνά θεωρείται ή εάν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να επιφέρει τροποποιήσεις. Επιπλέον, διερευνούμε ποια μοντέλα δίσκων διαφορετικών ιδιοτήτων εμφανίζουν ισχυρότερες ασκούμενες δυνάμεις ακτινοβολίας, ιδιαίτερες επιταχύνσεις, ή αξιοσημείωτα φαινόμενα. Τα αποτελέσματα της μελέτης μας δείχνουν ότι αυτές οι δυνάμεις ακτινοβολίας είναι πράγματι αξιοσημείωτες και δεν μπορούν να θεωρηθούν ασήμαντες ή περιττές σε μελέτες που αφορούν δίσκους προσαύξησης σε τροχιά γύρω από μαζικά αντικείμενα. Τα διάφορα μοντέλα δίσκων που εξετάζονται, παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες το καθένα, αλλά και χαρακτηριστικά που δεν εμφανίζονται με τον ίδιο τρόπο στα υπόλοιπα μοντέλα. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν επίσης, ότι το κύριο χαρακτηριστικό που καθορίζει το μέτρο της παρατηρούμενης ακτινοβολίας, δεν είναι ο όγκος του δίσκου προσαύξησης, αλλά η βαθμίδα της πυκνότητας. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της παραγόμενης ακτινοβολίας, μπορούμε να υπολογίσουμε εκ νέου τη σταθερότητα των τροχιών των σωματιδίων. Αυτά τα δεδομένα καταδεικνύουν ότι η θερμική ακτινοβολία δύναται να οδηγήσει αβίαστα σε άμεση διαφυγή υλικού, γεγονός που ωστόσο αντισταθμίζεται από δευτερεύουσες ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις που δρουν στο επίπεδο σωματιδίων. Επιπροσθέτως, παρουσιάζουμε αριθμητικά κατασκευασμένες εικόνες των εκτιμώμενων αστρικών παρατηρήσεων μελανών οπών, καθώς και μια σχετική μέθοδο εκτίμησης της περιστροφής της μελανής οπής με υποσχόμενα αποτελέσματα.Τέλος, εξετάζουμε τις συνέπειες της τροποποίησης των τροχιών των ηλεκτρονίων του δίσκου και τα επακόλουθα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Μελετάμε το μηχανισμό της Κοσμικής Μπαταρίας και εξετάζουμε την ικανότητα παραγωγής μαγνητικού πεδίου από την ακτινοβολία χωρίς την παρουσία προϋπάρχοντος πεδίου πηγής. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν πως υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου ο μηχανισμός αυτός μπορεί να δημιουργήσει μαγνητικά πεδία σε επίπεδο ισοκατανομής σε επαρκώς σύντομα χρονικά διαστήματα.