En visualisering fra en superdatasimulering viser, hvordan positroner opfører sig nær begivenhedshorisonten for et roterende sort hul.
(Billede: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Tyngdekraften i et sort hul er så stærk, at intet, ikke engang lys, kan undslippe, når det kommer for tæt. Der er dog en måde at undslippe et sort hul på - men kun hvis du er en subatomær partikel.
Når sorte huller gabbler sagen op i deres omgivelser, spytter de også kraftige stråler af varmt plasma indeholdende elektroner og positroner, antimaterieækvivalenten for elektroner. Lige inden de heldige indkommende partikler når begivenhedshorisonten eller punktet uden tilbagevenden begynder de at accelerere. Når de bevæger sig tæt på lysets hastighed, rykkes disse partikler ud af begivenhedshorisonten og bliver kastet udad langs det sorte huls rotationsakse.
Kendt som relativistiske stråler udsender disse enorme og kraftige strømme af partikler lys, som vi kan se med teleskoper. Selvom astronomer har observeret jetflyet i årtier, er der ingen, der ved nøjagtigt, hvordan de flugtende partikler får al den energi. I en ny undersøgelse kaster forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Californien nyt lys over processen. [De mærkeligste sorte huller i universet]
"Hvordan kan energien i et sort huls rotation udvindes for at fremstille jetfly?" Kyle Parfrey, der førte sorthullsimuleringerne i sin tid som postdoktor ved Berkeley Lab, sagde det i en erklæring. "Dette har været et spørgsmål i lang tid." Parfrey er nu seniormedarbejder ved NASAs Goddard Space Flight Center i Maryland.
For at forsøge at besvare dette spørgsmål, udtænkte Parfrey og hans team et sæt supercomputer-simuleringer, der "kombinerede årtier gamle teorier for at give ny indsigt om drivmekanismerne i plasmastrålerne, der giver dem mulighed for at stjæle energi fra sorte hullers kraftige tyngdefelter og fremdrage det langt fra deres gapende mund, ”sagde LBNL-embedsmænd i erklæringen. Med andre ord undersøgte de, hvordan et sort hul ekstreme tyngdekraft kan give partikler så meget energi, at de begynder at stråle.
"Simuleringerne forener for første gang en teori, der forklarer, hvordan elektriske strømme rundt om et sort hul vrider magnetfelter til dannende jetfly, med en separat teori, der forklarer, hvordan partikler, der krydser gennem et sort huls vendepunkt - begivenhedshorisonten - kan ser ud til en fjern observatør at bære negativ energi og sænke det sorte huls samlede roterende energi, ”sagde LBNL-embedsmænd. "Det er som at spise en snack, der får dig til at miste kalorier i stedet for at få dem. Det sorte hul mister faktisk masse som et resultat af at slurpe i disse 'negative-energi' partikler."
Parfrey sagde, at han kombinerede de to teorier i et forsøg på at smelte sammen almindelig plasmafysik med Einsteins teori om generel relativitet. Simuleringerne måtte ikke kun vedrøre partiklenes acceleration og lyset fra de relativistiske stråler, men det var også nødvendigt at redegøre for den måde, hvorpå positroner og elektroner skabes i første omgang: via sammenstød mellem højenergifotoner, såsom gammastråler. Denne proces, kaldet parproduktion, kan forvandle lys til materie.
"Resultaterne af de nye simuleringer adskiller sig ikke radikalt fra dem fra de gamle ... simuleringer, hvilket på en eller anden måde er betryggende," Robert Penna, en forsker ved Columbia University's Center for Theoretical Astrophysics, der ikke var involveret i studiet , skrev i en relateret "Synspunkt" -artikel i tidsskriftet Physical Review Letters.
"Parfrey et al. Afslører dog nogle interessante og nye opførsler," sagde Penna. "F.eks. Finder de en stor population af partikler, hvis relativistiske energier er negative, som målt af en observatør langt fra det sorte hul. Når disse partikler falder ned i det sorte hul, falder det sorte huls samlede energi."
Der var dog en overraskelse. Parfrey's simuleringer viser, at der er så mange af disse partikler med negativ energi, der strømmer ind i det sorte hul, "at energien, de ekstraherer ved at falde ned i hullet, kan sammenlignes med energien, der udvindes ved viklingen af magnetfeltet," sagde Penna. "Der er behov for opfølgningsarbejde for at bekræfte denne forudsigelse, men hvis effekten af partikler med negativ energi er så stærk som påstået, kan det ændre forventningerne til strålingsspektre fra sorte hulstråler."
Parfrey og hans team planlægger at forbedre deres modeller yderligere ved at sammenligne simuleringerne med observationsbeviser fra observatorier som det nye Event Horizon Telescope, der sigter mod at fange de første fotos af et sort hul. "De planlægger også at udvide simuleringernes rækkevidde til også at omfatte strømmen af infallerende stof omkring det sorte huls begivenhedshorisont, kendt som dets tiltrædelsesstrøm," sagde LBNL-embedsmænd.
"Vi håber at give et mere konsekvent billede af hele problemet," sagde Parfrey.
Undersøgelsen blev offentliggjort onsdag (23. januar) i Physical Review Letters.
