En visualisering från en superdatorsimulering visar hur positroner uppträder nära händelsevisinen för ett roterande svart hål.
(Bild: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
En svart håls gravitationskraft är så stark att ingenting, inte ens ljus, kan komma undan när det kommer för nära. Det finns dock ett sätt att undkomma ett svart hål - men bara om du är en subatomär partikel.
När svarta hål gabbar upp saken i deras omgivningar, spottar de också ut kraftfulla strålar med het plasma som innehåller elektroner och positroner, antimateriellt ekvivalent med elektroner. Strax innan de lyckliga inkommande partiklarna når händelseshorisonten, eller punkten utan återvändande, börjar de påskyndas. När de rör sig nära ljusets hastighet, rikcherar dessa partiklar från händelseshorisonten och kastas utåt längs det svarta hålets rotationsaxel.
Kända som relativistiska strålar avger dessa enorma och kraftfulla strömmar av partiklar ljus som vi kan se med teleskop. Även om astronomer har observerat strålarna i årtionden, vet ingen exakt hur de flyktande partiklarna får all den energin. I en ny studie kasta forskare med Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Kalifornien nytt ljus på processen. [De konstigaste svarta hålen i universum]
"Hur kan energin i ett svart håls rotation utvinnas för att skapa strålar?" Kyle Parfrey, som ledde simuleringen av det svarta hålet under sin tid som postdoktor vid Berkeley Lab, sa i ett uttalande. "Detta har varit en fråga länge." Parfrey är nu en seniorkamrat vid NASA: s Goddard Space Flight Center i Maryland.
För att försöka besvara den frågan, tog Parfrey och hans team fram en uppsättning superdator-simuleringar som "kombinerade årtionden gamla teorier för att ge ny insikt om drivmekanismerna i plasmastrålarna som gör att de kan stjäla energi från svarta håls kraftfulla tyngdfält och driva det långt från deras gapande munnar, ”sade LBNL-tjänstemän i uttalandet. Med andra ord undersökte de hur ett svart hols extrema gravitationskraft kan ge partiklar så mycket energi att de börjar stråla.
"Simuleringarna, för första gången, förenar en teori som förklarar hur elektriska strömmar runt ett svart hål vrider magnetfält till bildande jetstråler, med en separat teori som förklarar hur partiklar som korsar genom ett svart håls återvändande punkt - händels horisonten - kan verkar för en avlägsen iakttagare att bära in negativ energi och sänka det svarta hålets totala rotationsenergi, "sade LBNL-tjänstemän. "Det är som att äta ett mellanmål som får dig att förlora kalorier snarare än att få dem. Det svarta hålet tappar faktiskt massa som ett resultat av att man slurvar i dessa" negativa "energipartiklar."
Parfrey sa att han kombinerade de två teorierna i ett försök att smälta vanlig plasmafysik med Einsteins teori om allmän relativitet. Simuleringarna var tvungna att ta upp inte bara partiklarnas acceleration och ljuset som kommer från de relativistiska strålarna, utan det behövde också redogöra för hur positronerna och elektronerna skapas i första hand: via kollisioner av högenergifotoner, såsom gammastrålar. Denna process, kallad parproduktion, kan förvandla ljus till materia.
"Resultaten av de nya simuleringarna skiljer sig inte radikalt från dem från de gamla ... simuleringarna, vilket i någon mening är lugnande," Robert Penna, en forskare vid Columbia University Center for Theoretical Astrophysics som inte var inblandad i studien , skrev i en relaterad artikel "Synpunkter" i tidskriften Physical Review Letters.
"Parfrey et al. Avslöjar emellertid intressant och nytt beteende," sa Penna. "Till exempel hittar de en stor population av partiklar vars relativistiska energier är negativa, mätt av en observatör långt från det svarta hålet. När dessa partiklar faller in i det svarta hålet minskar det svarta hålets totala energi."
Men det var en överraskning. Parfrey's simuleringar visar att det finns så många av dessa negativa energipartiklar som flyter in i det svarta hålet "att energin som de extraherar genom att falla i hålet är jämförbar med energin som utvinns genom magnetfältets lindning," sa Penna. "Uppföljningsarbete behövs för att bekräfta denna förutsägelse, men om effekten av partiklar med negativ energi är lika stark som påstått, kan det förändra förväntningarna på strålningsspektra från svarthålstrålar."
Parfrey och hans team planerar att ytterligare förbättra sina modeller genom att jämföra simuleringarna med observationsbevis från observatorier som det nya Event Horizon Telescope, som syftar till att fånga de första fotona av ett svart hål. "De planerar också att utöka omfattningen av simuleringarna så att de inkluderar flödet av infalling materia runt det svarta hålets händelsehorisont, känd som dess tillträdesflöde," sade LBNL-tjänstemän.
"Vi hoppas kunna ge en mer konsekvent bild av hela problemet," sade Parfrey.
Studien publicerades på onsdag (23 jan) i Physical Review Letters.
