Визуализация от суперкомпютърна симулация показва как позитроните се държат в близост до хоризонта на събитията на въртяща се черна дупка.
(Изображение: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Гравитационното дърпане на черна дупка е толкова силно, че нищо, дори и светлина, не може да избяга, след като се приближи твърде много. Има обаче един начин да избягате от черна дупка - но само ако сте субатомна частица.
Тъй като черните дупки затрупват материята в заобикалящата ги среда, те също изплюват мощни струи гореща плазма, съдържащи електрони и позитрони, еквивалентът на антиматерията на електроните. Точно преди тези щастливи входящи частици да достигнат хоризонта на събитията или точката на връщане, те започват да се ускоряват. Придвижвайки се близо до скоростта на светлината, тези частици рикошират от хоризонта на събитията и се хвърлят навън по оста на въртене на черната дупка.
Известни като релативистични струи, тези огромни и мощни потоци от частици излъчват светлина, която можем да видим с телескопи. Въпреки че астрономите наблюдават струите от десетилетия, никой не знае точно как избягалите частици получават цялата тази енергия. В ново проучване изследователи от Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (LBNL) в Калифорния хвърлиха нова светлина върху процеса. [Най-странните черни дупки във Вселената]
"Как може да се извлече енергията при въртене на черна дупка, за да се направят струи?" Кайл Парфри, който ръководеше симулациите на черната дупка по време на постдокторант в Беркли Лаборатория, се казва в изявление. "Това е въпрос от дълго време." Парфри вече е старши сътрудник в центъра за космически полети на Годард в НАСА в Мериленд.
За да се опитат да отговорят на този въпрос, Парфри и неговият екип създадоха набор от суперкомпютърни симулации, които "комбинираха теории от десетилетия, за да предоставят нова представа за задвижващите механизми в плазмените струи, която им позволява да откраднат енергия от мощните гравитационни полета на черните дупки и изтласкват го далеч от зейналите си усти “, заявиха служители на LBNL в изявлението. С други думи, те изследвали как екстремната гравитационна сила на черната дупка може да даде на частиците толкова много енергия, че те започват да излъчват.
„Симулациите за първи път обединяват теория, която обяснява как електрическите токове около черна дупка усукват магнитни полета в образуващи струи, като отделна теория обяснява как частиците преминават през точката на връщане на черната дупка - хоризонта на събитията - могат се появяват пред далечен наблюдател, който носи негативна енергия и понижава общата ротационна енергия на черната дупка, "заявиха служители на LBNL. "Това е като ядене на лека закуска, която ви кара да губите калории, а не да ги печелите. Черната дупка всъщност губи маса в резултат на изпадане в тези частици от отрицателна енергия."
Парфри каза, че е комбинирал двете теории в опит да слее обикновената физика на плазмата с теорията на Айнщайн за общата относителност. Симулациите трябваше да се занимават не само с ускорението на частиците и светлината, идваща от релативистките струи, но също така трябваше да се отчита начинът, по който позитроните и електроните се създават на първо място: чрез сблъсъците на високоенергийни фотони, т.е. като гама-лъчи. Този процес, наречен производство на двойки, може да превърне светлината в материя.
"Резултатите от новите симулации не са коренно различни от тези на старите ... симулации, което в известен смисъл е успокояващо", Робърт Пена, изследовател от Центъра за теоретична астрофизика на университета в Колумбия, който не е участвал в изследването , написа в свързана статия "Viewpoints" в списанието Physical Review Letters.
„Въпреки това Парфри и др. Разкриват интересно и ново поведение“, каза Пена. "Например, те откриват голяма популация от частици, чиито релативистични енергии са отрицателни, измерени от наблюдател, далеч от черната дупка. Когато тези частици попаднат в черната дупка, общата енергия на черната дупка намалява."
Все пак имаше една изненада. Симулациите на Парфри показват, че има толкова много от тези отрицателни енергийни частици, които се вливат в черната дупка, "че енергията, която те извличат, като попадне в дупката, е сравнима с енергията, извлечена от намотката на магнитното поле", каза Пена. "Необходима е последваща работа, за да се потвърди това прогнозиране, но ако ефектът на частиците с отрицателна енергия е толкова силен, колкото се твърди, това може да промени очакванията за радиационния спектър от струите на черната дупка."
Парфри и неговият екип планират допълнително да подобрят своите модели, като сравняват симулациите с наблюдателни доказателства от обсерватории като новия телескоп на събитието Horizon, който има за цел да заснеме първите снимки на черна дупка. "Те също така планират да разширят обхвата на симулациите, така че да включват потока от падаща материя около хоризонта на събитията на черната дупка, известен като нейния приток", заявиха служители на LBNL.
"Надяваме се да предоставим по-последователна картина на целия проблем", каза Парфри.
Изследването беше публикувано в сряда (23 януари) в „Физически преглед писма“.
