如何逃離黑洞:模擬提供了強大等離子噴射的新線索

扭曲磁場、“負能量”粒子的相互作用

黑洞以其貪婪的胃口而聞名，它們以如此兇猛的速度吞噬物質(zhì)，一旦被吞噬，就連光也無法逃脫。然而，在宇宙中最強大的顯示之一中，黑洞是如何釋放鎖定在其旋轉(zhuǎn)中的能量，將接近光速的等離子體噴射到空間的相反方向的，人們對此知之甚少。這些噴流可以向外延伸數(shù)百萬光年。

新模擬為首的研究人員在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校聯(lián)合幾十年的理論提供新的見解的等離子體噴流的驅(qū)動機制,讓他們偷能量從黑洞的強大的引力場和推動它遠離他們目瞪口呆的。這些模擬可以為視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)的高分辨率觀測提供有用的對比。視界望遠鏡是一種陣列，旨在提供等離子射流形成區(qū)域的首批直接圖像。該望遠鏡將使我們能夠?qū)ξ覀冦y河系中心的黑洞以及其他超大質(zhì)量黑洞的詳細觀測成為可能。

凱爾·帕弗雷(Kyle Parfrey)說，“如何提取黑洞旋轉(zhuǎn)的能量來制造噴流?”“這個問題已經(jīng)存在很長時間了?！盤arfrey現(xiàn)在是馬里蘭州NASA戈達德太空飛行中心的高級研究員，他是1月23日發(fā)表在《物理評論快報》上的一項研究的主要作者，該研究詳細描述了模擬研究。模擬,首次統(tǒng)一理論,解釋了電流在黑洞周圍用飛機、旋轉(zhuǎn)磁場形成一個單獨的理論解釋粒子穿越黑洞視界的臨界點————會給遠距離觀察者呈現(xiàn)出一個帶負能量,降低整體旋轉(zhuǎn)黑洞的能量。

這就像吃零食會讓你減少而不是增加卡路里。黑洞實際上會因為吸入這些“負能量”粒子而失去質(zhì)量。計算機模擬很難模擬等離子體射流發(fā)射過程中涉及的所有復雜物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象必須解釋電子和正電子對的產(chǎn)生、粒子的加速機制以及射流中光的發(fā)射。伯克利實驗室在其漫長的歷史中對等離子體模擬做出了廣泛的貢獻。等離子體是一種類似氣體的帶電粒子混合物，是宇宙中最常見的物質(zhì)狀態(tài)。

帕弗雷說，他意識到，要想更好地模擬噴射流，需要結(jié)合等離子體物理學和廣義相對論的專業(yè)知識。他說:“我認為現(xiàn)在是把這兩件事結(jié)合起來的好時機?！北憩F(xiàn)在超級計算中心在山景城的NASA艾姆斯研究中心,加利福尼亞,結(jié)合新的數(shù)值模擬技術(shù)提供第一個模型的無碰撞的等離子體——帶電粒子之間的碰撞不發(fā)揮重要作用——在一個強大的引力場的存在與黑洞有關(guān)。

模擬自然產(chǎn)生了被稱為Blandford-Znajek機制的效應，該機制描述了形成噴流的扭曲磁場，另一個彭羅斯過程描述了負能量粒子被黑洞吞噬時會發(fā)生什么。彭羅斯過程，“盡管它對提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能量的貢獻并不大，”Parfrey說，“但它可能直接與扭曲噴流磁場的電流有關(guān)。”Parfrey指出，雖然他的團隊的模擬比一些早期模型更詳細，但仍在追趕觀察結(jié)果，并在某些方面理想化，以簡化執(zhí)行模擬所需的計算。

為了更真實地研究射流等離子體分布及其輻射發(fā)射，以便與觀測結(jié)果進行比較，研究小組打算對射流中產(chǎn)生電子-正電子對的過程建立更好的模型。他們還計劃擴大模擬的范圍，使其包括黑洞視界周圍物質(zhì)的流入流，即吸積流。他說:“我們希望對整個問題提供一個更加一致的看法?！?/p>