Supertietokoneen simulaatiosta saatu visualisointi osoittaa, kuinka positronit käyttäytyvät pyörivän mustan aukon tapahtumahorisontin lähellä.
(Kuva: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Mustan aukon painovoima on niin voimakas, että mikään, ei edes valo, ei pääse pakoon, kun se tulee liian lähelle. On kuitenkin yksi tapa paeta mustaa reikää - mutta vain jos olet subatominen hiukkanen.
Kun mustat reiät vieroittavat asiaa ympäristössään, ne sylkevät myös voimakkaita kuuman plasman suuttimia, jotka sisältävät elektroneja ja positroneja, elektronien antimateriaaliekvivalentteja. Juuri ennen kuin nämä onnekkaat saapuvat hiukkaset saavuttavat tapahtumahorisontin tai pisteen, jossa ei palata, ne alkavat kiihtyä. Liikkuessaan lähellä valon nopeutta nämä hiukkaset rikoosivat tapahtumahorisontista ja heittäytyvät ulospäin mustan aukon pyörimisakselia pitkin.
Relativistisina suihkuna nämä valtavat ja voimakkaat hiukkasvirrat lähettävät valoa, jonka voimme nähdä kaukoputkilla. Vaikka tähtitieteilijät ovat tarkkailleet suuttimia vuosikymmenien ajan, kukaan ei tiedä tarkalleen, kuinka pakenevat hiukkaset saavat kaiken tämän energian. Uudessa tutkimuksessa Kalifornian Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion (LBNL) tutkijat avasivat prosessille uuden valon. [Maailmankaikkeuden omituisimmat mustat reiät]
"Kuinka mustan aukon pyörimisen energia voidaan ottaa pois suihkujen valmistamiseksi?" Kyle Parfrey, joka johti mustan aukon simulaatioita aikanaan tutkijatohtorina Berkeley Labissa, sanoi lausunnossaan. "Tämä on ollut kysymys jo pitkään." Parfrey on nyt vanhempi stipendiaatti NASA: n Goddard-avaruuslentokeskuksessa Marylandissa.
Yrittääkseen vastata tähän kysymykseen Parfrey ja hänen tiiminsä suunnittelivat joukon supertietokoneiden simulaatioita, jotka "yhdistivät vuosikymmeniä vanhoja teorioita antaakseen uuden kuvan plasma-suihkukoneiden käyttömekanismeista, joiden avulla ne voivat varastaa energiaa mustien aukkojen voimakkaista painovoimakenttiä ja ajaa sen kaukana ammottavasta suustaan ", LBNL: n virkamiehet totesivat lausunnossa. Toisin sanoen he tutkivat kuinka mustan aukon äärimmäinen painovoima voi antaa hiukkasille niin paljon energiaa, että ne alkavat säteillä.
"Simulaatiot yhdistävät ensimmäistä kertaa teorian, joka selittää kuinka mustan reiän ympärillä olevat sähkövirrat kiertävät magneettikentät muodostaen suuttimia. Erillisessä teoriassa selitetään, kuinka mustan aukon paluupisteen - tapahtumahorisontin - läpi kulkevat hiukkaset voivat näyttävät kaukaiselta tarkkailijalta kuljettavan negatiivista energiaa ja alentavan mustan aukon pyörimisenergiaa ", LBNL: n virkamiehet kertoivat. "Se on kuin välipalan syöminen, joka aiheuttaa kalorien menetyksen sen sijaan, että saisit niitä. Musta reikä tosiasiallisesti menettää massan näiden" negatiivisen energian "hiukkasten slurgin seurauksena."
Parfrey kertoi yhdistävänsä nämä kaksi teoriaa yrittäessään sulauttaa tavallinen plasmafysiikka Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriaan. Simulaatioiden oli koskettava paitsi hiukkasten kiihtyvyyttä ja relativistisista suihkeista tulevaa valoa, vaan myös otettava huomioon tapa, jolla positronit ja elektronit muodostuvat ensisijaisesti: korkean energian fotonien törmäyksissä, kuten gammasäteet. Tämä prosessi, jota kutsutaan parien tuotannoksi, voi muuttaa valon aineeksi.
"Uusien simulaatioiden tulokset eivät eroa radikaalisti vanhojen ... simulaatioiden tuloksista, mikä on tietyssä mielessä rauhoittavaa", Robert Penna, Columbian yliopiston teoreettisen astrofysiikan keskuksen tutkija, joka ei ollut mukana tutkimuksessa , kirjoitti siihen liittyvässä "näkökulma" -artikkelissa lehdessä Physical Review Letters.
"Parfrey ym. Paljastavat kuitenkin mielenkiintoisen ja uudenlaisen käytöksen", Penna sanoi. "Esimerkiksi he löytävät suuren määrän hiukkasia, joiden relativistiset energiat ovat negatiivisia mitattuna tarkkailijan toimesta kaukana mustasta aukosta. Kun nämä hiukkaset putoavat mustaan reikään, mustan aukon kokonaisenergia vähenee."
Oli yksi yllätys. Parfreyn simulaatiot osoittavat, että näistä negatiivisen energian hiukkasista on niin paljon virtaamassa mustaan reikään ", että energia, jonka ne ottavat reikään putoamalla, on verrattavissa energiaan, jonka uutta magneettikenttä käämittää", Penna sanoi. "Tämän ennustuksen vahvistamiseksi tarvitaan jatkotoimia, mutta jos negatiivisen energian hiukkasten vaikutus on yhtä vahva kuin väitetään, se saattaa muuttaa odotuksia mustien reikien suihkussäteilystä."
Parfrey ja hänen tiiminsä suunnittelevat parantavansa edelleen mallejaan vertaamalla simulaatioita observatorioiden havainnollisiin todisteisiin, kuten uusi Event Horizon Telescope, jonka tarkoituksena on kaapata ensimmäiset valokuvat mustasta aukosta. "He aikovat myös laajentaa simulaatioiden laajuutta sisällyttämällä esiintyvän aineen virtauksen mustan aukon tapahtumahorisontin ympärille, joka tunnetaan sen lisääntymisvirtauksena", LBNL: n virkamiehet kertoivat.
"Toivomme antaa johdonmukaisemman kuvan koko ongelmasta", Parfrey sanoi.
Tutkimus julkaistiin keskiviikkona (23. tammikuuta) Physical Review Letters -lehdessä.
