如何逃离黑洞:模拟提供了强大等离子喷射的新线索

如何逃离黑洞:模拟提供了强大等离子喷射的新线索

扭曲磁场、“负能量”粒子的相互作用

黑洞以其贪婪的胃口而闻名，它们以如此凶猛的速度吞噬物质，一旦被吞噬，就连光也无法逃脱。然而，在宇宙中最强大的显示之一中，黑洞是如何释放锁定在其旋转中的能量，将接近光速的等离子体喷射到空间的相反方向的，人们对此知之甚少。这些喷流可以向外延伸数百万光年。

新模拟为首的研究人员在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校联合几十年的理论提供新的见解的等离子体喷流的驱动机制,让他们偷能量从黑洞的强大的引力场和推动它远离他们目瞪口呆的。这些模拟可以为视界望远镜(Event Horizon Telescope)的高分辨率观测提供有用的对比。视界望远镜是一种阵列，旨在提供等离子射流形成区域的首批直接图像。该望远镜将使我们能够对我们银河系中心的黑洞以及其他超大质量黑洞的详细观测成为可能。

凯尔·帕弗雷(Kyle Parfrey)说，“如何提取黑洞旋转的能量来制造喷流?”“这个问题已经存在很长时间了。”Parfrey现在是马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的高级研究员，他是1月23日发表在《物理评论快报》上的一项研究的主要作者，该研究详细描述了模拟研究。模拟,首次统一理论,解释了电流在黑洞周围用飞机、旋转磁场形成一个单独的理论解释粒子穿越黑洞视界的临界点————会给远距离观察者呈现出一个带负能量,降低整体旋转黑洞的能量。

这就像吃零食会让你减少而不是增加卡路里。黑洞实际上会因为吸入这些“负能量”粒子而失去质量。计算机模拟很难模拟等离子体射流发射过程中涉及的所有复杂物理现象，这些现象必须解释电子和正电子对的产生、粒子的加速机制以及射流中光的发射。伯克利实验室在其漫长的历史中对等离子体模拟做出了广泛的贡献。等离子体是一种类似气体的带电粒子混合物，是宇宙中最常见的物质状态。

帕弗雷说，他意识到，要想更好地模拟喷射流，需要结合等离子体物理学和广义相对论的专业知识。他说:“我认为现在是把这两件事结合起来的好时机。”表现在超级计算中心在山景城的NASA艾姆斯研究中心,加利福尼亚,结合新的数值模拟技术提供第一个模型的无碰撞的等离子体——带电粒子之间的碰撞不发挥重要作用——在一个强大的引力场的存在与黑洞有关。

模拟自然产生了被称为Blandford-Znajek机制的效应，该机制描述了形成喷流的扭曲磁场，另一个彭罗斯过程描述了负能量粒子被黑洞吞噬时会发生什么。彭罗斯过程，“尽管它对提取黑洞的旋转能量的贡献并不大，”Parfrey说，“但它可能直接与扭曲喷流磁场的电流有关。”Parfrey指出，虽然他的团队的模拟比一些早期模型更详细，但仍在追赶观察结果，并在某些方面理想化，以简化执行模拟所需的计算。

为了更真实地研究射流等离子体分布及其辐射发射，以便与观测结果进行比较，研究小组打算对射流中产生电子-正电子对的过程建立更好的模型。他们还计划扩大模拟的范围，使其包括黑洞视界周围物质的流入流，即吸积流。他说:“我们希望对整个问题提供一个更加一致的看法。”