Vizualizacija simulacije superračunalnika prikazuje, kako se pozitroni obnašajo v bližini dogodka vrteče se črne luknje.
(Slika: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Gravitacijski poteg črne luknje je tako močan, da se nič, niti svetloba, ne more izogniti, ko se preveč približa. Vendar obstaja en način, kako ubežati črno luknjo - vendar le, če ste subatomski delec.
Ko črne luknje zagrabijo zadevo v svoji okolici, izpljunejo tudi močne curke vroče plazme, ki vsebujejo elektrone in pozitrone, ekvivalent antimaterijskih elektronov. Tik preden ti srečno prihajajoči delci dosežejo obzorje dogodka ali vrnitve, se začnejo pospeševati. Ko se delci približujejo svetlobni hitrosti, se ti delci poskočijo od obzorja dogodka in se vrtijo navzgor po osi vrtenja črne luknje.
Ti ogromni in močni tokovi delcev, znani kot relativistični curki, oddajajo svetlobo, ki jo lahko vidimo s teleskopi. Čeprav astronomi že desetletja opazujejo curke, nihče ne ve natančno, kako ubežni delci dobijo vso to energijo. V novi raziskavi so raziskovalci Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (LBNL) v Kaliforniji osvetlili postopek. [Najbolj čudne črne luknje v vesolju]
"Kako lahko energijo vrtenja črne luknje črpamo, da naredimo curke?" Kyle Parfrey, ki je v času podoktorskega kolega v Berkeley Lab vodil simulacije črne luknje, je dejal v izjavi. "To je vprašanje že dolgo." Parfrey je zdaj starejši sodelavec v Nasinem vesoljskem letalskem centru Goddard v Marylandu.
Da bi poskusili odgovoriti na to vprašanje, sta Parfrey in njegova ekipa zasnovala niz superračunalniških simulacij, ki so "združile več desetletij teorije, da bi ponudile nov vpogled v gonilne mehanizme v plazemskih curkih, ki jim omogočajo krajo energije iz močnih gravitacijskih polj črnih lukenj in poganjajo ga daleč od svojih zevajočih ust, "so v izjavi zapisali uradniki LBNL. Z drugimi besedami, raziskali so, kako lahko skrajna gravitacijska sila črne luknje daje delcem toliko energije, da začnejo sevati.
"Simulacije prvič združujejo teorijo, ki razlaga, kako električni tokovi okoli črne luknje zviti magnetna polja v tvorijo curke, z ločeno teorijo, ki razlaga, kako delci, ki prečkajo točko vračanja črne luknje - horizont dogodkov, lahko se zdi, da daljni opazovalec prenaša negativno energijo in znižuje celotno rotacijsko energijo črne luknje, "so sporočili uradniki LBNL. "To je tako, kot da prigrizete prigrizek, ki povzroči, da izgubite kalorije, ne pa da jih boste pridobili. Črna luknja dejansko izgubi maso zaradi gnojenja teh delcev z negativno energijo."
Parfrey je dejal, da je združil obe teoriji, da bi skušal spojiti navadno fiziko plazme z Einsteinovo teorijo splošne relativnosti. Simulacije so morale obravnavati ne samo pospeševanje delcev in svetlobo, ki prihaja iz relativističnih curkov, ampak je bilo treba upoštevati tudi način ustvarjanja pozitronov in elektronov: s trkom visokoenergetskih fotonov oz. kot so gama žarki. Ta postopek, imenovan proizvodnja parov, lahko svetlobo spremeni v materijo.
"Rezultati novih simulacij se ne razlikujejo radikalno od rezultatov starih ... simulacij, kar je na nek način prepričljivo," je Robert Penna, znanstvenik s centra za teoretsko astrofiziko na univerzi Columbia, ki ni bil vključen v študijo , je zapisal v povezanem članku "Viewpoints" v reviji Physical Review Letters.
"Vendar Parfrey in sod. Odkrivajo nekaj zanimivega in novejšega vedenja," je dejala Penna. "Na primer, najdejo veliko populacijo delcev, katerih relativistične energije so negativne, kar meri opazovalec daleč od črne luknje. Ko ti delci padejo v črno luknjo, se celotna energija črne luknje zmanjša."
Vendar je bilo eno presenečenje. Parfreyjeve simulacije kažejo, da toliko črpalk z negativno energijo teče v črno luknjo, "da je energija, ki jo izločijo s padcem v luknjo, primerljiva z energijo, ki jo pridobiva z navijanjem magnetnega polja," je dejala Penna. "Za potrditev te napovedi so potrebna nadaljnja dela, toda če je učinek delcev negativne energije tako močan, kot se zahteva, bi lahko spremenil pričakovanja glede sevalnih spektrov iz črnih lukenj."
Parfrey in njegova ekipa načrtujejo, da bodo svoje modele še izboljšali s primerjanjem simulacij z opazovalnimi dokazi opazovalnic, kot je novi teleskop Event Horizon, katerega cilj je zajeti prve fotografije črne luknje. "Prav tako nameravajo razširiti obseg simulacij, da bodo vključevali pretok padajočih snovi okoli obzorja dogodkov črne luknje, znanega kot njen akumulacijski tok," so povedali uradniki LBNL.
"Upamo, da bomo zagotovili bolj dosledno sliko celotnega problema," je dejal Parfrey.
Študija je bila objavljena v sredo (23. januarja) v reviji Physical Review Letters.
