Vizualizace ze simulace superpočítače ukazuje, jak se pozitrony chovají blízko horizontu události rotující černé díry.
(Obrázek: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Gravitační tah černé díry je tak silný, že nic, dokonce ani světlo, nemůže uniknout, jakmile se dostane příliš blízko. Existuje však jeden způsob, jak uniknout černé díře - ale pouze pokud jste subatomická částice.
Když černé díry pohlcují hmotu ve svém okolí, vyplivují také silné trysky horké plazmy obsahující elektrony a pozitrony, což je ekvivalent elektronů proti antihmotě. Těsně předtím, než tyto šťastné přicházející částice dosáhnou horizontu události nebo bodu, kdy se nevrátí, začnou se zrychlovat. Tyto částice se pohybují téměř rychlostí světla a odrazí se od horizontu události a vrhají se ven podél osy rotace černé díry.
Známé jako relativistické trysky, tyto obrovské a silné proudy částic emitují světlo, které můžeme vidět s dalekohledy. Ačkoli astronomové pozorovali trysky po celá desetiletí, nikdo přesně neví, jak unikající částice získávají veškerou tu energii. V nové studii vědci s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) v Kalifornii vrhli nové světlo na tento proces. [Nejpodivnější černé díry ve vesmíru]
"Jak lze získat energii při rotaci černé díry, aby se vytvořily trysky?" Kyle Parfrey, který vedl simulace černé díry během svého působení jako postdoktorand v Berkeley Lab, uvedl ve svém prohlášení. "To byla otázka už dlouho." Parfrey je nyní vedoucím členem NASA Goddard Space Flight Center v Marylandu.
Aby se pokusil odpovědět na tuto otázku, Parfrey a jeho tým vymysleli řadu superpočítačových simulací, které „kombinovaly desetiletí staré teorie, aby poskytly nový pohled na hnací mechanismy v plazmových tryskách, které jim umožňují ukrást energii z mocných gravitačních polí černých děr a pohánět to daleko od jejich zející ústa, “uvedli představitelé LBNL. Jinými slovy, zkoumali, jak může extrémní gravitační síla černé díry poskytnout částicím tolik energie, že začnou vyzařovat.
„Simulace poprvé spojují teorii, která vysvětluje, jak elektrické proudy kolem černé díry krouží magnetická pole do formovacích trysek, se samostatnou teorií vysvětlující, jak mohou částice procházející černou dírou bez návratu - horizont událostí - Zdá se, že vzdálený pozorovatel nese negativní energii a snižuje celkovou rotační energii černé díry, “uvedli úředníci LBNL. „Je to jako jíst svačinu, která způsobuje, že ztratíš kalorie, než abys je získal. Černá díra ve skutečnosti ztrácí hmotu v důsledku usazování v těchto„ negativních “částicích.“
Parfrey řekl, že kombinoval obě teorie ve snaze spojit obyčejnou plazmatickou fyziku s Einsteinovou teorií obecné relativity. Simulace se musely zabývat nejen zrychlením částic a světlem přicházejícím z relativistických proudů, ale také potřebovaly zohlednit způsob, jakým jsou pozitrony a elektrony vytvářeny na prvním místě: prostřednictvím střetů vysokoenergetických fotonů, jako jsou gama paprsky. Tento proces, nazývaný výroba párů, může proměnit světlo v hmotu.
„Výsledky nových simulací se nijak zásadně neliší od výsledků starých… simulací, což je v jistém smyslu uklidňující,“ Robert Penna, vědec z Centra pro teoretickou astrofyziku Columbia University, který se studie nezúčastnil , napsal v souvisejícím článku „Pohledy“ v časopise Physical Review Letters.
„Parfrey a kol. Však odhalili některé zajímavé a nové chování,“ řekla Penna. "Například najdou velkou populaci částic, jejichž relativistické energie jsou negativní, měřeno pozorovatelem daleko od černé díry. Když tyto částice spadnou do černé díry, celková energie černé díry klesá."
Bylo tam však jedno překvapení. Parfreyovy simulace ukazují, že do černé díry proudí tolik těchto částic negativní energie, „že energie, kterou extrahují padáním do díry, je srovnatelná s energií získanou vinutím magnetického pole,“ uvedla Penna. „K potvrzení této predikce je zapotřebí následná práce, ale pokud je účinek částic negativní energie tak silný, jak se tvrdí, mohlo by to změnit očekávání pro spektra záření z proudů černých děr.“
Parfrey a jeho tým plánují další zdokonalení svých modelů porovnáním simulací s pozorovacími důkazy z observatoří, jako je nový Event Horizon Telescope, jehož cílem je zachytit první fotografie černé díry. "Plánují také rozšířit rozsah simulací tak, aby zahrnovaly tok inflační hmoty kolem horizontu události černé díry, známý jako její akreční tok," uvedli úředníci LBNL.
„Doufáme, že poskytneme ucelenější obrázek o celém problému,“ řekl Parfrey.
Studie byla zveřejněna ve středu (23. ledna) ve fyzických recenzních dopisech.
