En visualisering fra en superdatasimulering viser hvordan positroner oppfører seg nær hendelseshorisonten til et roterende svart hull.
(Bilde: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Tyngdekraften i et svart hull er så sterkt at ingenting, ikke engang lys, kan slippe unna når det kommer for nær. Imidlertid er det en måte å unnslippe et svart hull - men bare hvis du er en subatomær partikkel.
Når sorte hull gabber opp saken i omgivelsene sine, spytter de også ut kraftige jetfly av varmt plasma som inneholder elektroner og positroner, antimateriellekvivalent med elektroner. Rett før de heldige innkommende partiklene når begivenhetshorisonten, eller punktet uten retur, begynner de å akselerere. Når de beveger seg nær lysets hastighet, rykker disse partiklene ut av hendelseshorisonten og blir kastet utover langs det sorte hullets rotasjonsakse.
Kjente som relativistiske jetfly, sender disse enorme og kraftige strømmer av partikler lys som vi kan se med teleskoper. Selv om astronomer har observert jetflyene i flere tiår, er det ingen som vet nøyaktig hvordan de rømrende partiklene får all den energien. I en ny studie kaster forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i California nytt lys over prosessen. [De merkeligste svarte hullene i universet]
"Hvordan kan energien i rotasjonen av et svart hull utvinnes for å lage jetfly?" Kyle Parfrey, som ledet svart hullsimuleringene i løpet av sin tid som postdoktor ved Berkeley Lab, sa det i en uttalelse. "Dette har vært et spørsmål i lang tid." Parfrey er nå senior stipendiat ved NASAs Goddard Space Flight Center i Maryland.
For å prøve å svare på det spørsmålet, utarbeidet Parfrey og teamet hans et sett med superdatasimuleringer som "kombinerte flere tiår gamle teorier for å gi ny innsikt om drivmekanismene i plasma-jetflyene som gjør at de kan stjele energi fra svarte hulls kraftige tyngdefelt og fremdrive det langt fra deres gapende munn, "sa LBNL-tjenestemenn i uttalelsen. Med andre ord undersøkte de hvordan et svart hulls ekstreme tyngdekraft kan gi partikler så mye energi at de begynner å stråle.
"Simuleringene forener for første gang en teori som forklarer hvordan elektriske strømmer rundt et svart hull vrir magnetfelter til dannende jetfly, med en egen teori som forklarer hvordan partikler som krysser gjennom et svart hulls returpunkt - hendelseshorisonten - kan ser ut for en fjern observatør å innta negativ energi og senke det svarte hullets samlede rotasjonsenergi, "sa LBNL-tjenestemenn. "Det er som å spise en matbit som får deg til å miste kalorier i stedet for å skaffe dem. Det sorte hullet mister faktisk masse som et resultat av at man slurper i disse 'negative-energi' partiklene."
Parfrey sa at han kombinerte de to teoriene i et forsøk på å fusjonere vanlig plasmafysikk med Einsteins teori om generell relativitet. Simuleringene måtte ikke bare adressere partikelenes akselerasjon og lyset fra de relativistiske jetflyene, men det måtte også redegjøres for hvordan positronene og elektronene opprettes i utgangspunktet: via kollisjoner av høyenergifotoner, for eksempel gammastråler. Denne prosessen, kalt parproduksjon, kan gjøre lys til materie.
"Resultatene av de nye simuleringene er ikke radikalt forskjellige fra resultatene fra de gamle ... simuleringene, noe som på en eller annen måte er betryggende," Robert Penna, forsker ved Columbia University's Center for Theoretical Astrophysics, som ikke var involvert i studien , skrev i en beslektet "Viewpoints" -artikkel i tidsskriftet Physical Review Letters.
"Parfrey et al. Avdekker imidlertid noen interessante og nye oppførsler," sa Penna. "For eksempel finner de en stor populasjon av partikler hvis relativistiske energier er negative, målt av en observatør langt fra det sorte hullet. Når disse partiklene faller ned i det sorte hullet, reduseres det sorte hullets totale energi."
Det var en overraskelse. Parfrey's simuleringer viser at det er så mange av disse partiklene med negativ energi som strømmer inn i det sorte hullet "at energien de trekker ut ved å falle ned i hullet kan sammenlignes med energien som trekkes ut av viklingen av magnetfeltet," sa Penna. "Oppfølgingsarbeid er nødvendig for å bekrefte denne prediksjonen, men hvis effekten av partikler med negativ energi er så sterk som hevdet, kan det endre forventningene til strålingsspektrene fra sorte hullstråler."
Parfrey og teamet hans planlegger å forbedre modellene ytterligere ved å sammenligne simuleringene med observasjonsbevis fra observatorier som det nye Event Horizon Telescope, som tar sikte på å fange de første bildene av et svart hull. "De planlegger også å utvide omfanget av simuleringene til å omfatte strømmen av innfallende materie rundt det svarte hullets hendelseshorisont, kjent som dets akkresjonsstrøm," sa LBNL-tjenestemenn.
"Vi håper å gi et mer konsistent bilde av hele problemet," sa Parfrey.
Studien ble publisert onsdag (23. januar) i Physical Review Letters.
