Sådan undslipper du et sort hul:Simuleringer giver nye spor om kraftige plasmastråler

Sorte huller er kendt for deres glubske appetit, sluger stoffet med en sådan voldsomhed, at ikke engang lys kan slippe ud, når det først er slugt.

Mindre forstået, selvom, er hvordan sorte huller renser energi, der er låst inde i deres rotation, sprøjte plasmaer med næsten lyshastighed ud i rummet til modsatte sider i en af ​​de mest kraftfulde skærme i universet. Disse jetfly kan strække sig udad i millioner af lysår.

Nye simuleringer ledet af forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, har kombineret årtier gamle teorier for at give ny indsigt om de drivende mekanismer i plasmastrålerne, der gør det muligt for dem at stjæle energi fra sorte huller. kraftige gravitationsfelter og driver det langt fra deres gabende mund.

Simuleringerne kunne give en nyttig sammenligning for højopløsningsobservationer fra Event Horizon Telescope, et array, der er designet til at give de første direkte billeder af de områder, hvor plasmastrålerne dannes.

Teleskopet vil muliggøre nye syn på det sorte hul i centrum af vores egen Mælkevejsgalakse, samt detaljerede visninger af andre supermassive sorte huller.

"Hvordan kan energien i et sort huls rotation udvindes for at lave jetfly?" sagde Kyle Parfrey, som ledede arbejdet med simuleringerne, mens han var Einstein Postdoctoral Fellow tilknyttet Nuclear Science Division på Berkeley Lab. "Dette har været et spørgsmål i lang tid."

Nu senior fellow ved NASA Goddard Space Flight Center i Maryland, Parfrey er hovedforfatter af en undersøgelse, udgivet 23. januar i Fysisk gennemgangsbreve , der beskriver simuleringsforskningen.

Simuleringerne, for første gang, foren en teori, der forklarer, hvordan elektriske strømme omkring et sort hul vrider magnetiske felter til at danne jetfly, med en separat teori, der forklarer, hvordan partikler, der krydser gennem et sort huls point of no return – begivenhedshorisonten – kan se ud for en fjern observatør at bære negativ energi ind og sænke det sorte huls samlede rotationsenergi.

Det er ligesom at spise en snack, der får dig til at tabe kalorier i stedet for at få dem på. Det sorte hul mister faktisk masse som følge af slurping i disse "negative-energi"-partikler.

Computersimuleringer har svært ved at modellere al den komplekse fysik, der er involveret i plasma-jet opsendelse, som skal redegøre for dannelsen af ​​par af elektroner og positroner, accelerationsmekanismen for partikler, og udsendelse af lys i dyserne.

Berkeley Lab har bidraget meget til plasmasimuleringer gennem sin lange historie. Plasma er en gaslignende blanding af ladede partikler, der er universets mest almindelige stoftilstand.

Parfrey sagde, at han indså, at mere komplekse simuleringer for bedre at beskrive jetflyene ville kræve en kombination af ekspertise inden for plasmafysik og den generelle relativitetsteori.

"Jeg tænkte, at det ville være et godt tidspunkt at prøve at bringe disse to ting sammen, " han sagde.

Udført på et supercomputercenter ved NASA Ames Research Center i Mountain View, Californien, simuleringerne inkorporerer nye numeriske teknikker, der giver den første model af et kollisionsfrit plasma – hvor kollisioner mellem ladede partikler ikke spiller en større rolle – i nærvær af et stærkt gravitationsfelt forbundet med et sort hul.

Simuleringerne producerer naturligvis effekter kendt som Blandford-Znajek-mekanismen, som beskriver de snoede magnetfelter, der danner stråler, og en separat Penrose-proces, der beskriver, hvad der sker, når negativ energi partikler bliver slugt ned af det sorte hul.

Penrose-processen, "selvom det ikke nødvendigvis bidrager så meget til at udvinde det sorte huls rotationsenergi, " sagde Parfrey, "er muligvis direkte forbundet med de elektriske strømme, der vrider strålernes magnetfelter."

Selvom de er mere detaljerede end nogle tidligere modeller, Parfrey bemærkede, at hans holds simuleringer stadig følger observationer, og er idealiseret på nogle måder for at forenkle de beregninger, der er nødvendige for at udføre simuleringerne.

Holdet har til hensigt bedre at modellere den proces, hvorved elektron-positron-par skabes i strålerne for at studere strålernes plasmafordeling og deres udsendelse af stråling mere realistisk til sammenligning med observationer. De planlægger også at udvide omfanget af simuleringerne til at omfatte strømmen af ​​indfaldende stof omkring det sorte huls begivenhedshorisont, kendt som dets tilvækst flow.

"Vi håber at give et mere konsistent billede af hele problemet, " han sagde.