A szuperszámítógép-szimulációból származó megjelenítés megmutatja, hogyan viselkednek a pozitronok egy forgó fekete lyuk eseményhorizontja közelében.
(Kép: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
A fekete lyuk gravitációs vonzása annyira erős, hogy semmi sem, még fény sem, nem tud menekülni, ha túl közel kerül. Van azonban egy mód a fekete lyuk elkerülésére - de csak akkor, ha szubatomi részecske vagy.
Ahogy a fekete lyukak felbomlik az anyaggal a környezetükben, kiürítik az erőteljes forró plazma fúvókákat is, amelyek elektronokat és pozitronokat tartalmaznak, az elektronok antianyag-egyenértékét. Mielőtt azok a szerencsés bejövő részecskék elérték az eseményhorizontot, vagy a visszatérés helyét, elkezdenek felgyorsulni. A fénysebességhez közel mozogva ezek a részecskék rikoxizálnak az eseményhorizonton, és kifelé rohannak a fekete lyuk forgástengelye mentén.
Relativista fúvókákként ismert, ezek a hatalmas és erős részecskeáramok olyan fényt bocsátanak ki, amelyet távcsövekkel láthatunk. Bár a csillagászok évtizedek óta figyelték a fúvókákat, senki sem tudja pontosan, hogy a kiszabaduló részecskék miként kapják meg ezt az energiát. Egy új tanulmányban a kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (LBNL) kutatói új megvilágításba helyezték a folyamatot. [A legfurcsább fekete lyukak az univerzumban]
"Hogyan lehet kinyerni a fekete lyuk forgásában levő energiát fúvókák készítéséhez?" Kyle Parfrey, aki a fekete lyuk szimulációit vezette a Berkeley Lab posztdoktori ösztöndíjasának ideje alatt, nyilatkozta. "Ez már hosszú ideje kérdés." Parfrey jelenleg a NASA Goddard űrrepülési központjának Maryland-i vezető munkatársa.
A kérdés megválaszolásához Parfrey és csapata egy szuperszámítógép-szimulációt készített, amelyek "évtizedes régi elméleteket kombináltak, hogy új betekintést nyújtsanak a plazma fúvókák hajtási mechanizmusaihoz, lehetővé téve számukra, hogy energiát lopjanak a fekete lyukak erőteljes gravitációs tereiből és megtévesztik a szájukat. "- mondta az LBNL tisztviselői a nyilatkozatban. Más szavakkal, megvizsgálták, hogy egy fekete lyuk extrém gravitációs ereje miként képes a részecskéknek annyi energiát adni, hogy elkezdjenek sugárzni.
"A szimulációk első ízben egyesítik egy elméletet, amely elmagyarázza, hogy a fekete lyuk körüli elektromos áramok mikor forgatják a mágneses tereket fúvókákká, külön elmélettel magyarázzák, hogy miként képesek átjutni a fekete lyuk átmenő részecskék visszatérési pontján - az eseményhorizonton - keresztülmenő részecskék. úgy tűnik, hogy egy távoli megfigyelő negatív energiát hordoz és csökkenti a fekete lyuk teljes forgási energiáját "- mondta az LBNL tisztviselői. "Olyan, mint egy harapnivaló elfogyasztása, ahelyett, hogy elveszíti a kalóriát, ahelyett, hogy elveszíti őket. A fekete lyuk valójában elveszíti a tömegét ezen" negatív energiájú "részecskék átitatása eredményeként."
Parfrey elmondta, hogy a két elméletet a rendes plazmafizika és az Einstein általános relativitáselméleti elmélete összeolvasztása céljából egyesítette. A szimulációknak nemcsak a részecskék gyorsulására és a relativista fúvókákból származó fényre kellett figyelniük, hanem számolniuk kellett azzal is, hogy a pozitronok és az elektronok miként alakulnak ki: nagy energiájú fotonok ütközésein keresztül, például gamma-sugarak. Ez a pár gyártásnak nevezett folyamat a fényt anyaggá változtathatja.
"Az új szimulációk eredményei nem különböznek radikálisan a régi… szimulációk eredményeitől, ami bizonyos értelemben megnyugtató" - mondta Robert Penna, a Columbia Egyetem Elméleti Asztrofizikai Központjának kutatója, aki nem vett részt a tanulmányban. írt egy kapcsolódó "Viewpoints" cikkben a Physical Review Letters folyóiratban.
"Mindazonáltal Parfrey et al. Érdekes és újszerű magatartást fedez fel" - mondta Penna. "Például olyan részecskék nagy populációját találják meg, amelyek relativista energiája negatív, a fekete lyuktól távol eső megfigyelő által mérve. Amikor ezek a részecskék a fekete lyukba esnek, a fekete lyuk teljes energiája csökken."
Volt azonban egy meglepetés. Parfrey szimulációi azt mutatják, hogy ezeknek a negatív energiájú részecskéknek annyira sok áramlik a fekete lyukba, "hogy az energiájuk, amelyet a lyukba esés útján nyernek ki, összehasonlítható az energiával, amelyet a mágneses tekercs tekercse nyer" - mondta Penna. "Az előrejelzés megerősítéséhez utómunkára van szükség, de ha a negatív energiájú részecskék hatása olyan erős, mint amire állítják, ez megváltoztathatja a fekete lyukú fúvókák sugárzási spektrumára vonatkozó várakozásokat."
Parfrey és csapata azt tervezi, hogy tovább javítja modelleiket azáltal, hogy összehasonlítja a szimulációkat az obszervatóriumok megfigyelési bizonyítékaival, mint például az új Event Horizon Telescope, amelynek célja a fekete lyuk első fényképeinek elkészítése. "Azt is tervezik, hogy kibővítsék a szimulációk körét, hogy magába foglalja a beáramló anyag áramlását a fekete lyuk eseményhorizontja körül, amelyet úgy nevezzenek, mint az akkumulációs áramlása" - mondta az LBNL tisztviselői.
"Reméljük, hogy következetesebb képet nyújtunk az egész problémáról" - mondta Parfrey.
A tanulmányt szerdán (január 23.) közzétették a Physical Review Letters-ben.
