Візуалізація за допомогою суперкомп'ютерного моделювання показує, як позитрони поводяться біля горизонту події обертової чорної діри.
(Зображення: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Гравітаційне тягнення чорної діри настільки сильне, що ніщо, навіть світло, не може втекти, як тільки вона наблизиться занадто близько. Однак є один спосіб уникнути чорної діри - але тільки якщо ви субатомна частинка.
Оскільки чорні діри обсипають справу навколишнім середовищем, вони також випльовують потужні струмені гарячої плазми, що містять електрони та позитрони, протимітровий еквівалент електронів. Незадовго до того, як ті щасливі частинки, що надходять досягають горизонту події, або точки неповернення, вони починають прискорюватися. Рухаючись ближче до швидкості світла, ці частинки рикошетують від горизонту події і викидаються назовні по осі обертання чорної діри.
Ці величезні та потужні потоки частинок, відомі як релятивістські реактивні випромінювання, випромінюють світло, яке ми можемо бачити за допомогою телескопів. Хоча астрономи спостерігають за струменями десятиліття, ніхто не знає, як саме частинки, що витікають, отримують всю цю енергію. У новому дослідженні дослідники з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (LBNL) у Каліфорнії пролили нове світло на цей процес. [Найстрашніші чорні діри у Всесвіті]
"Як можна витягти енергію в обертанні чорної діри, щоб зробити струмені?" Кайл Парфрі, який керував симуляцією чорної діри, працюючи в докторантурі лабораторії Берклі, працював в докторантурі. "Це питання вже давно". Зараз Парфрі є старшим співробітником Центру космічних польотів НАСА Годдард в Меріленді.
Щоб спробувати відповісти на це питання, Парфрі та його команда розробили набір моделей суперкомп'ютерів, які "поєднували десятилітні теорії, щоб забезпечити нове розуміння механізмів руху плазмових струменів, що дозволяє їм красти енергію з потужних гравітаційних полів чорних дір та просунути його далеко від своїх роззявлених вуст ", - заявили чиновники LBNL. Іншими словами, вони досліджували, як надзвичайна гравітаційна сила чорної діри може дати частинкам стільки енергії, що вони починають випромінювати.
"Моделювання, вперше, об'єднує теорію, яка пояснює, як електричні струми навколо чорної діри скручують магнітні поля у формуючі струмені, з окремою теорією, яка пояснює, як частинки, що перетинають точку неповернення чорної діри - горизонт події, - можуть здається, що далекий спостерігач несе негативну енергію і знижує загальну обертальну енергію чорної діри ", - заявили чиновники LBNL. "Це як їсти перекус, який змушує вас втрачати калорії, а не отримувати їх. Чорна діра фактично втрачає масу в результаті снування цих частинок" негативної енергії "."
Парфрі сказав, що поєднав дві теорії, намагаючись сплавити звичайну фізику плазми з теорією загальної відносності Ейнштейна. Моделювання мали стосуватися не лише прискорення частинок та світла, що виходило з релятивістських струменів, але й потрібно було враховувати спосіб створення позитронів та електронів в першу чергу: через зіткнення високоенергетичних фотонів, наприклад, гамма-промені. Цей процес, який називається парним виробництвом, може перетворити світло на матерію.
"Результати нових симуляцій кардинально не відрізняються від результатів старих ... симуляцій, що в деякому сенсі є заспокійливим", - сказав Роберт Пенна, науковий співробітник Центру теоретичної астрофізики Колумбійського університету, який не брав участі в дослідженні , написано у відповідній статті "Точки зору" у журналі Physical Review Letters.
"Однак Парфрі та ін. Розкривають цікаву та нове поведінку", - сказала Пенна. "Наприклад, вони виявляють велику популяцію частинок, релятивістські енергії яких негативні, як це вимірюється спостерігачем далеко від чорної діри. Коли ці частинки потрапляють у чорну діру, загальна енергія чорної діри зменшується".
Однак був один сюрприз. Симуляції Парфрі показують, що стільки цих негативно-енергетичних частинок тече в чорну діру, "що енергія, яку вони витягують, потрапляючи в отвір, порівнянна з енергією, видобутою обмоткою магнітного поля", - сказала Пенна. "Необхідна подальша робота для підтвердження цього прогнозу, але якщо вплив частинок негативної енергії буде настільки ж сильним, як заявлено, це може змінити очікування щодо спектрів випромінювання від струменів чорної діри".
Парфрі та його команда планують подальше вдосконалення своїх моделей, порівнюючи моделювання із спостережними доказами з обсерваторій, як новий телескоп Horizon Event, який має на меті зафіксувати перші фотографії чорної діри. "Вони також планують розширити сферу моделювання, щоб включити потік речовини, що падає, навколо горизонту подій чорної діри, відомий як її потік", - заявили чиновники LBNL.
"Ми сподіваємося дати більш послідовну картину всієї проблеми", - сказав Парфрі.
Дослідження було опубліковане в середу (23 січня) у «Фізичному огляді».
