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视觉图像，显示了旋转黑洞视界附近的正电子密度。等离子体的不稳定性会在强流区产生岛状结构。照片:凯尔·帕弗雷等人/伯克利实验室

黑洞以其贪婪和凶猛的胃口而闻名。一旦被吞没，光也无法逃脱。

但是很长一段时间以来，人们对黑洞如何消化它们所摄入的能量以及接近光速的等离子流如何喷出知之甚少。黑洞喷射出的超高速射流可以向外延伸数百万光年。

美国能源部伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员联合研究并结合了几十年的理论，为黑洞等离子体射流的驱动机制提供了新的见解，并为逃离黑洞提供了一个新的想法:从黑洞强大的引力场中窃取能量，然后将其推离黑洞。

此前，研究人员协调世界各地现有的射电望远镜，模拟地球大小的望远镜——事件地平线望远镜(EHT)。这一模拟实验可以与望远镜的高分辨率观测形成有效的对比。

EHT可以捕捉到银河系中心黑洞和其他超大质量黑洞的清晰图像。

该研究的主要作者、伯克利实验室的博士后研究员凯尔·帕弗雷(Kyle Parfrey)说:“如何从旋转的黑洞中提取能量来制造喷射流是一个常见的问题。”

相关论文发表在23日的《物理评论快报》上，对模拟研究进行了详细描述。

这项研究是第一次将黑洞周围的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并返回或不返回的理论相结合。从旁观者的角度来看，它看起来像一个携带负能量的物体被黑洞吞噬，导致黑洞总旋转能量的减少。

这就像吃一种能让你减少热量而不是增加热量的零食。黑洞通过吃掉这些负能量粒子而失去质量。

很难用计算机模拟来模拟等离子体喷流中涉及的所有复杂物理现象，因为它必须解释正电子对电子核的产生、粒子的加速机制以及喷流中一起发射的光。

等离子体是带电粒子的气体混合物，也是宇宙中最常见的物质状态。

帕弗雷意识到，为了更好地分析喷流并完成更复杂的模拟实验，有必要将等离子体物理学的专业知识与广义相对论结合起来。

“现在是把两者结合起来的时候了，”他说。

在美国宇航局位于加州的超级计算中心，研究人员在与黑洞相关的强引力场下使用新的数值技术进行模拟实验，并完成了第一个无碰撞等离子体模型。在这个模型中，带电粒子之间的碰撞并不显著。

随着模拟实验的发展，一种称为布朗福德-兹纳切克(BZ过程)和彭罗斯过程的机制出现了。前者指的是磁场从旋转的黑洞中提取能量和角动量负载的过程，而后者描述的是当负能量粒子被黑洞吞没时会发生什么。

帕弗雷说:“尽管彭罗斯过程可能对从黑洞中提取能量没有太大贡献，但它可能与扭曲喷流磁场的电流直接相关。”

尽管新的研究比一些早期的模型更详细，但帕弗雷也指出，这项研究仍需要进一步深入观察，并简化了进行模拟所需的计算。

为了研究喷流的等离子体分布和辐射，该小组计划对喷流中产生电子和正电子对的过程进行模拟实验，以便与目前的观察结果进行比较。他们还计划扩大模拟范围，将黑洞视界附近的吸积流包括在内。

“我们希望完成一个完整的蓝图，”他说。

蝌蚪工作人员从scitechdaily编译，翻译狗Gege，转载必须授权。