遇到黑洞怎么逃?

作者:狗格格/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-01-31

把黑洞的能量偷出来。

遇到黑洞怎么逃?

上图是广义相对论无碰撞等离子体模拟的可视化图像,显示了旋转黑洞视界附近正电子的密度。等离子体的不稳定性在强电流区域会产生岛状结构。图:Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab

黑洞以其贪婪凶狠的胃口闻名,即使是光,一旦被吞没也无法逃脱。

但一直以来,人们对黑洞如何消化那些被它们吃进去的能量、又如何将近光速的等离子体流吐出来的过程知之甚少。黑洞喷射的超高速喷流能向外延伸数百万光年。

来自美国能源部伯克利实验室与加州大学伯克利分校的研究人员共同研究,结合了数十年来的理论,为黑洞的等离子射流的驱动机制提供了新的见解,并为逃离黑洞提供了一条新思路:从黑洞强大的引力场中把能量偷出来,然后将其推远离黑洞的血盆大口。

此前,研究人员对世界各地现存的射电望远镜进行协调,模拟出一台地球大小的望远镜,即事件视界望远镜(EHT)。这项模拟实验与该望远镜的高分辨率观测之间可以形成一个有效的对比。

EHT可以捕捉到银河系中心黑洞的清晰图像,及其它的超大质量黑洞。

该研究的主要作者、来自伯克利实验室的博士后研究员Kyle Parfrey说道:“如何将旋转的黑洞中的能量抽出来做成喷流,已经是个老生常谈的问题了。”

相关论文已于23号发表在《物理评论快报》上,其中对这项模拟研究进行了详细的说明。

这项研究是第一次将解释黑洞周围电流如何将磁场扭曲成射流的理论、与粒子如何穿过黑洞视界有去无回的理论结合起来。从旁观者的角度看起来,就像是一个携带着负能量的物体被黑洞吃了进去,结果导致黑洞的总旋转能量降低。

这就和你吃了一种可以让你失去卡路里而非增加的零食一样,黑洞因为吃了这些负能量的粒子而损失了质量。

使用计算机模拟很难对等离子喷射流中所涉及到的所有复杂物理都进行建模,因为那就必须解释电子核正电子对的产生、粒子的加速机制、以及喷流中一起射出来的光。

等离子体是带电粒子的类气体混合物,也是宇宙中最常见的物质状态。

Parfrey意识到,要想更好地解析喷射流,完成更加复杂的模拟实验,就需要将等离子体物理学的专业知识和广义相对论结合起来。

“现在是时候了,将两者结合,”他说。

在NASA位于加州的超级计算中心中,研究人员在与黑洞有关的强引力场下,采用了新的数值技术进行了模拟实验,完成了第一个无碰撞等离子体模型。在该模型中,带电粒子之间的碰撞影响不大。

随着模拟实验的进行出现了一种叫做Blandford-Znajek(BZ过程)的机制,以及彭罗斯过程(Penrose process)。前者指的是磁场从旋转黑洞提取能量和角动量负载的过程,后者则描述了当负能量粒子被黑洞吞没时会发生什么。

Parfrey表示:“虽然彭罗斯过程对于从黑洞中抽取能量来说不一定会有多大的贡献,但它可能与扭曲了喷射流的磁场的电流具有直接关系。”

虽然这项新研究比一些早期的模型更加详细,但Parfrey也指出,该研究仍需进一步深入观察,并简化执行模拟时所需的计算。

为了研究喷流的等离子体分布及其辐射,该团队打算对喷流中产生电子和正电子对的过程进行模拟实验,以便与现在当前的观测结果相对比。他们还计划扩大模拟的范围,包括黑洞视界附近的吸积流。

“我们希望能完成一幅完整的蓝图,”他说。


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