Wizualizacja z symulacji superkomputera pokazuje zachowanie pozytonów w pobliżu horyzontu zdarzeń obracającej się czarnej dziury.
(Zdjęcie: © Kyle Parfrey i in./Berkeley Lab)
Siła grawitacyjna czarnej dziury jest tak silna, że nic, nawet światło, nie może uciec, gdy zbliży się zbyt blisko. Istnieje jednak jeden sposób na ucieczkę z czarnej dziury - ale tylko jeśli jesteś cząstką subatomową.
Gdy czarne dziury pochłaniają materię w ich otoczeniu, wypluwają również potężne strumienie gorącej plazmy zawierające elektrony i pozytony, będące antymaterialnym odpowiednikiem elektronów. Tuż przed tym, jak te szczęśliwe nadchodzące cząstki dotrą do horyzontu zdarzenia lub punktu bez powrotu, zaczynają przyspieszać. Poruszając się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, cząstki te odbijają się rykoszetem od horyzontu zdarzeń i zostają wyrzucone na zewnątrz wzdłuż osi obrotu czarnej dziury.
Te ogromne i potężne strumienie cząstek, zwane relatywistycznymi dżetami, emitują światło, które możemy zobaczyć za pomocą teleskopów. Chociaż astronomowie obserwują dżety od dziesięcioleci, nikt nie wie dokładnie, w jaki sposób uciekające cząstki otrzymują całą energię. W nowym badaniu naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) w Kalifornii rzucili nowe światło na ten proces. [Najdziwniejsze czarne dziury we wszechświecie]
„Jak można wydobyć energię z obrotu czarnej dziury, aby wytworzyć dżety?” Kyle Parfrey, który prowadził symulacje czarnej dziury w swoim czasie jako doktorant w Berkeley Lab, powiedział w oświadczeniu. „To było pytanie od dawna”. Parfrey jest obecnie starszym pracownikiem NASA w Goddard Space Flight Center w Maryland.
Aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, Parfrey i jego zespół opracowali zestaw symulacji superkomputera, który „połączył dziesięciolecia teorii, aby zapewnić nowy wgląd w mechanizmy napędowe w strumieniach plazmy, które pozwalają im kraść energię z potężnych pól grawitacyjnych czarnych dziur i napędzają go z dala od otwartych ust ”, powiedział w oświadczeniu urzędnik LBNL. Innymi słowy, badali, w jaki sposób ekstremalna siła grawitacji czarnej dziury może dać cząstkom tyle energii, że zaczną promieniować.
„Symulacje po raz pierwszy łączą teorię, która wyjaśnia, w jaki sposób prądy elektryczne wokół czarnej dziury skręcają pola magnetyczne w formujące się strumienie, z osobną teorią wyjaśniającą, w jaki sposób cząstki przechodzące przez punkt bez powrotu czarnej dziury - horyzont zdarzeń - mogą wydaje się odległemu obserwatorowi, aby przenosił ujemną energię i obniżał ogólną energię obrotową czarnej dziury ”, powiedzieli przedstawiciele LBNL. „To tak, jakby jeść przekąskę, która powoduje, że tracisz kalorie, a nie je zyskujesz. Czarna dziura faktycznie traci masę w wyniku zatykania się cząstek„ energii ujemnej ”.”
Parfrey powiedział, że połączył te dwie teorie, próbując połączyć zwykłą fizykę plazmy z teorią ogólnej teorii względności Einsteina. Symulacje musiały dotyczyć nie tylko przyspieszenia cząstek i światła pochodzącego z dżetów relatywistycznych, ale musiały także uwzględniać sposób, w jaki pozytony i elektrony powstają przede wszystkim: poprzez zderzenia fotonów wysokoenergetycznych, takie jak promienie gamma. Ten proces, zwany produkcją par, może zamienić światło w materię.
„Wyniki nowych symulacji nie różnią się radykalnie od tych ze starych… symulacji, co jest w pewnym sensie uspokajające” - Robert Penna, naukowiec z Centrum Astrofizyki Teoretycznej Uniwersytetu Columbia, który nie brał udziału w badaniu , napisał w powiązanym artykule „Viewpoints” w czasopiśmie Physical Review Letters.
„Jednak Parfrey i wsp. Odkryli pewne ciekawe i nowatorskie zachowanie” - powiedziała Penna. „Na przykład znajdują dużą populację cząstek, których relatywistyczne energie są ujemne, co mierzy obserwator z dala od czarnej dziury. Gdy cząstki te wpadną do czarnej dziury, całkowita energia czarnej dziury maleje”.
Była jednak jedna niespodzianka. Symulacje Parfrey pokazują, że tak wiele cząstek ujemnej energii wpływa do czarnej dziury „że energia, którą wydobywają wpadając do dziury, jest porównywalna z energią wydobywaną przez uzwojenie pola magnetycznego”, powiedziała Penna. „Potrzeba dalszych prac w celu potwierdzenia tej prognozy, ale jeśli wpływ cząstek ujemnej energii jest tak silny, jak twierdzono, może to zmienić oczekiwania dotyczące widm promieniowania z dżetów czarnych dziur”.
Parfrey i jego zespół planują udoskonalić swoje modele, porównując symulacje z dowodami obserwacyjnymi z obserwatoriów, takich jak nowy teleskop Event Horizon, który ma na celu uchwycenie pierwszych zdjęć czarnej dziury. „Planują także poszerzyć zakres symulacji, aby objąć przepływ infalling materii wokół horyzontu zdarzeń czarnej dziury, znany jako przepływ akrecyjny”, powiedzieli przedstawiciele LBNL.
„Mamy nadzieję zapewnić bardziej spójny obraz całego problemu” - powiedział Parfrey.
Badanie zostało opublikowane w środę (23 stycznia) w Physical Review Letters.
