Μια οπτικοποίηση από μια προσομοίωση υπερυπολογιστών δείχνει πώς συμπεριφέρονται τα ποζιτρόνια κοντά στον ορίζοντα συμβάντων μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας.
(Εικόνα: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Η βαρυτική έλξη μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή που τίποτα, ούτε καν φως, δεν μπορεί να ξεφύγει μόλις φτάσει πολύ κοντά. Ωστόσο, υπάρχει ένας τρόπος να ξεφύγετε από μια μαύρη τρύπα - αλλά μόνο εάν είστε υποατομικό σωματίδιο.
Καθώς οι μαύρες τρύπες εκτοξεύουν το θέμα στο περιβάλλον τους, εκτοξεύουν επίσης ισχυρούς πίδακες θερμού πλάσματος που περιέχουν ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, το αντιύλη ισοδύναμο των ηλεκτρονίων. Λίγο πριν αυτά τα τυχερά εισερχόμενα σωματίδια φτάσουν στον ορίζοντα του γεγονότος ή στο σημείο της μη επιστροφής, αρχίζουν να επιταχύνουν. Κινούμενοι κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αυτά τα σωματίδια περνούν έξω από τον ορίζοντα του συμβάντος και εκτοξεύονται προς τα έξω κατά μήκος του άξονα περιστροφής της μαύρης τρύπας.
Γνωστά ως σχετικιστικά πίδακες, αυτά τα τεράστια και ισχυρά ρεύματα σωματιδίων εκπέμπουν φως που μπορούμε να δούμε με τηλεσκόπια. Αν και οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει τα αεροσκάφη για δεκαετίες, κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς τα σωματίδια που διαφεύγουν παίρνουν όλη αυτή την ενέργεια. Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley (LBNL) στην Καλιφόρνια ρίχνουν νέο φως στη διαδικασία. [Οι πιο περίεργες μαύρες τρύπες στο σύμπαν]
"Πώς μπορεί να εξαχθεί η ενέργεια στην περιστροφή μιας μαύρης τρύπας για να κάνει πίδακες;" Ο Kyle Parfrey, ο οποίος ηγήθηκε των προσομοιώσεων της μαύρης τρύπας κατά τη διάρκεια του χρόνου του ως μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Berkeley Lab, δήλωσε σε δήλωση. "Αυτή ήταν μια ερώτηση εδώ και πολύ καιρό." Ο Parfrey είναι πλέον ανώτερος συνεργάτης του Goddard Space Flight Center της NASA στο Μέριλαντ.
Για να προσπαθήσει να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα, ο Parfrey και η ομάδα του επινόησαν ένα σύνολο προσομοιώσεων υπερυπολογιστών που "συνδύαζε δεκαετίες θεωρίες για να παρέχουν νέα εικόνα σχετικά με τους μηχανισμούς οδήγησης στα πίδακα πλάσματος που τους επιτρέπουν να κλέβουν ενέργεια από τα ισχυρά βαρυτικά πεδία των μαύρων οπών και προωθήστε το μακριά από τα κενά τους, "δήλωσαν αξιωματούχοι της LBNL στη δήλωση. Με άλλα λόγια, διερεύνησαν πώς η ακραία βαρυτική δύναμη μιας μαύρης τρύπας μπορεί να δώσει στα σωματίδια τόση ενέργεια που αρχίζουν να ακτινοβολούν.
"Οι προσομοιώσεις, για πρώτη φορά, ενώνουν μια θεωρία που εξηγεί πώς τα ηλεκτρικά ρεύματα γύρω από μια μαύρη τρύπα στρίβουν τα μαγνητικά πεδία σε σχηματίζοντας πίδακες, με μια ξεχωριστή θεωρία που εξηγεί πώς τα σωματίδια διασχίζουν το σημείο μη επιστροφής μιας μαύρης τρύπας - ο ορίζοντας γεγονότος - μπορούν φαίνεται σε έναν μακρινό παρατηρητή να μεταφέρει αρνητική ενέργεια και να μειώσει τη συνολική περιστροφική ενέργεια της μαύρης τρύπας », ανέφεραν αξιωματούχοι της LBNL. «Είναι σαν να τρώτε ένα σνακ που σας κάνει να χάσετε θερμίδες αντί να τις αποκτήσετε. Η μαύρη τρύπα χάνει πραγματικά τη μάζα ως αποτέλεσμα της συρρίκνωσης σε αυτά τα σωματίδια« αρνητικής ενέργειας »."
Ο Παρφρέι είπε ότι συνδύασε τις δύο θεωρίες σε μια προσπάθεια να συντήξει τη συνηθισμένη φυσική του πλάσματος με τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Οι προσομοιώσεις έπρεπε να ασχοληθούν όχι μόνο με την επιτάχυνση των σωματιδίων και το φως που προέρχεται από τους σχετικιστικούς πίδακες, αλλά έπρεπε επίσης να ληφθεί υπόψη ο τρόπος με τον οποίο τα ποζιτρόνια και τα ηλεκτρόνια δημιουργούνται πρώτα: μέσω των συγκρούσεων των φωτονίων υψηλής ενέργειας, όπως ακτίνες γάμμα. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται ζεύγος παραγωγής, μπορεί να μετατρέψει το φως σε ύλη.
"Τα αποτελέσματα των νέων προσομοιώσεων δεν διαφέρουν ριζικά από εκείνα των παλιών ... προσομοιώσεων, κάτι που, κατά κάποιον τρόπο, καθησυχάζει", ο Robert Penna, ερευνητής στο Κέντρο Θεωρητικής Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου της Κολούμπια, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. , έγραψε σε ένα σχετικό άρθρο "Viewpoints" στο περιοδικό Physical Review Letters.
"Ωστόσο, οι Parfrey et al. Αποκαλύπτουν κάποια ενδιαφέρουσα και νέα συμπεριφορά", δήλωσε η Penna. "Για παράδειγμα, βρίσκουν μεγάλο πληθυσμό σωματιδίων των οποίων οι σχετικιστικές ενέργειες είναι αρνητικές, όπως μετράται από έναν παρατηρητή μακριά από τη μαύρη τρύπα. Όταν αυτά τα σωματίδια πέφτουν στη μαύρη τρύπα, η συνολική ενέργεια της μαύρης τρύπας μειώνεται."
Ωστόσο, υπήρχε μια έκπληξη. Οι προσομοιώσεις του Parfrey δείχνουν ότι υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά τα σωματίδια αρνητικής ενέργειας που ρέουν στη μαύρη τρύπα "που η ενέργεια που εξάγουν πέφτοντας στην τρύπα είναι συγκρίσιμη με την ενέργεια που εξάγεται από την περιέλιξη του μαγνητικού πεδίου", δήλωσε η Penna. "Απαιτείται εργασία παρακολούθησης για να επιβεβαιωθεί αυτή η πρόβλεψη, αλλά εάν η επίδραση των σωματιδίων αρνητικής ενέργειας είναι τόσο ισχυρή όσο ισχυρίζεται, θα μπορούσε να αλλάξει τις προσδοκίες για τα φάσματα ακτινοβολίας από πίδακες μαύρων οπών."
Ο Parfrey και η ομάδα του σκοπεύουν να βελτιώσουν περαιτέρω τα μοντέλα τους συγκρίνοντας τις προσομοιώσεις με στοιχεία παρατήρησης από παρατηρητήρια όπως το νέο Event Horizon Telescope, το οποίο στοχεύει στη λήψη των πρώτων φωτογραφιών μιας μαύρης τρύπας. "Σκοπεύουν επίσης να διευρύνουν το πεδίο των προσομοιώσεων ώστε να συμπεριλάβουν τη ροή της εισαγόμενης ύλης γύρω από τον ορίζοντα εκδήλωσης της μαύρης τρύπας, γνωστή ως ροή αύξησης", ανέφεραν αξιωματούχοι της LBNL.
"Ελπίζουμε να προσφέρουμε μια πιο συνεπή εικόνα του όλου προβλήματος", δήλωσε ο Παρφρέι.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε την Τετάρτη (23 Ιανουαρίου) στο Physical Review Letters.
