Визуализация из суперкомпьютерного моделирования показывает, как позитроны ведут себя вблизи горизонта событий вращающейся черной дыры.
(Изображение: © Кайл Парфри и др. / Лаборатория Беркли)
Гравитационное притяжение черной дыры настолько сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться, если подойдет слишком близко. Тем не менее, есть один способ избежать черной дыры - но только если вы субатомная частица.
По мере того как черные дыры поглощают вещество в окружающей среде, они также выплескивают мощные струи горячей плазмы, содержащей электроны и позитроны, эквивалент антивещества для электронов. Непосредственно перед тем, как эти счастливые входящие частицы достигают горизонта событий или точки невозврата, они начинают ускоряться. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, эти частицы рикошетом покидают горизонт событий и выбрасываются наружу вдоль оси вращения черной дыры.
Известные как релятивистские джеты, эти огромные и мощные потоки частиц излучают свет, который мы можем видеть с помощью телескопов. Хотя астрономы наблюдали за джетами в течение десятилетий, никто точно не знает, как убегающие частицы получают всю эту энергию. В новом исследовании исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) в Калифорнии пролили новый свет на этот процесс. [Самые странные черные дыры во Вселенной]
«Как можно извлечь энергию из вращения черной дыры для создания струй?» В заявлении говорится, что Кайл Парфри, который руководил моделированием черной дыры в то время, когда работал докторантом в лаборатории Беркли. «Это был вопрос в течение длительного времени». Парфри сейчас старший научный сотрудник в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Мэриленде.
Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Парфри и его команда разработали набор суперкомпьютерных симуляций, которые «объединили теории, основанные на десятилетиях, чтобы дать новое понимание движущих механизмов в плазменных струях, которое позволяет им красть энергию из мощных гравитационных полей черных дыр и продвиньте это далеко от их зияющих ртов, "чиновники LBNL сказали в заявлении. Другими словами, они исследовали, как экстремальная гравитационная сила черной дыры может дать частицам столько энергии, что они начинают излучать.
«Моделирование впервые объединяет теорию, объясняющую, как электрические токи вокруг черной дыры скручивают магнитные поля в формирующие струи, с отдельной теорией, объясняющей, как частицы, пересекающие точку невозврата черной дыры - горизонт событий - могут кажется, что отдаленный наблюдатель несет отрицательную энергию и снижает общую вращательную энергию черной дыры », - сказали представители LBNL. «Это похоже на перекус, который заставляет вас терять калории, а не набирать их. Черная дыра на самом деле теряет массу из-за того, что ворвалась в эти частицы« отрицательной энергии »».
Парфри сказал, что он объединил две теории в попытке соединить обычную физику плазмы с теорией общей теории относительности Эйнштейна. Моделирование должно было учитывать не только ускорение частиц и свет, исходящий от релятивистских струй, но также необходимо учитывать способ, которым позитроны и электроны создаются в первую очередь: посредством столкновений фотонов высоких энергий, такие как гамма-лучи. Этот процесс, называемый парным производством, может превратить свет в материю.
«Результаты нового моделирования радикально не отличаются от результатов старого… моделирования, что в некотором смысле обнадеживает», - Роберт Пенна, научный сотрудник Центра теоретической астрофизики Колумбийского университета, который не принимал участия в исследовании. , написал в связанной статье «Точки зрения» в журнале Physical Review Letters.
«Тем не менее, Парфри и др. Раскрывают некоторые интересные и новые поведения», сказал Пенна. «Например, они находят большую совокупность частиц, релятивистские энергии которых отрицательны, что измеряется наблюдателем вдали от черной дыры. Когда эти частицы падают в черную дыру, полная энергия черной дыры уменьшается».
Был один сюрприз, хотя. Моделирование Парфри показывает, что в черную дыру втекает так много частиц с отрицательной энергией, что энергия, которую они извлекают, падая в эту дыру, сравнима с энергией, извлекаемой обмоткой магнитного поля, сказал Пенна. «Для подтверждения этого прогноза необходима дополнительная работа, но если влияние частиц с отрицательной энергией будет таким сильным, как утверждается, это может изменить ожидания в отношении спектров излучения от струй черных дыр».
Парфри и его команда планируют и дальше совершенствовать свои модели, сравнивая результаты моделирования с данными наблюдений обсерваторий, таких как новый телескоп Event Horizon, цель которого - сделать первые фотографии черной дыры. «Они также планируют расширить сферу моделирования, чтобы включить поток падающей материи вокруг горизонта событий черной дыры, известный как ее аккреционный поток», - сказали представители LBNL.
«Мы надеемся предоставить более последовательную картину всей проблемы», - сказал Парфри.
Исследование было опубликовано в среду (23 января) в Physical Review Letters.
