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怎样逃离黑洞?最新模仿提示了强大等离子体放射的新线索!

黑洞以其贪婪的胃口而闻名,黑洞以如此凶猛的速度吞噬物质,一旦被吞噬,就连光也无法逃脱。然而在宇宙中最强大的显示之一中,黑洞是如何释放锁定在其旋转中的能量,将接近光速的等离子体喷射到空间的相反方向,目前对此知之甚少,而这些喷流可以向外延伸数百万光年。由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley National Laboratory)和加州大学伯克利分校(UC Berkeley)研究人员牵头进行的新模拟,结合了数十年的旧理论,为等离子体喷射的驱动机制提供了新洞见。等离子体喷射使它们能够从黑洞强大的引力场中窃取能量,并将其推进远离黑洞张大嘴巴的地方。

博科园-科学科普:这些模拟可以为事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)的高分辨率观测提供有用对比。视界望远镜是一种阵列,旨在提供黑洞等离子射流形成区域的首批直接图像。该望远镜将使我们能够对银河系中心黑洞以及其他超大质量黑洞的详细观测成为可能。凯尔·帕弗雷(Kyle Parfrey)说:如何提取黑洞旋转的能量来制造喷流?这个问题已经存在很长时间了(Parfrey现在是马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的高级研究员,他是2019年1月23日发表在《物理评论快报》上的一项研究的主要作者,该研究详细描述了模拟研究)。

  • 这个广义相对论无碰撞等离子体模拟的可视化显示了旋转黑洞视界附近正电子密度,等离子体的不稳定性在强电流区域产生岛状结构。图片:Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab

这些模拟首次将解释黑洞周围的电流如何将磁场扭曲成喷射流的理论与解释粒子如何穿越黑洞的不可逆点(事件水平)理论结合起来,在遥远的观察者看来,粒子如何携带负能量并降低黑洞的整体旋转能量。这就像吃零食会让你减少而不是增加卡路里。黑洞实际上会因为吸入这些“负能量”粒子而失去质量。计算机模拟很难模拟等离子体射流发射过程中涉及的所有复杂物理现象,这些现象必须解释电子和正电子对的产生、粒子的加速机制以及射流中光的发射。伯克利实验室在其漫长的历史中对等离子体模拟做出了广泛的贡献。等离子体是一种类似气体的带电粒子混合物,是宇宙中最常见的物质状态之一。

要想更好地模拟喷射流,需要结合等离子体物理学和广义相对论的专业知识。研究人员现在是把这两件事结合起来的好时机。在加州山景的美国航空航天局埃姆斯研究中心一个超级计算中心进行的模拟实验,模拟出了一种新的数字技术,它提供了第一个模型,是碰撞的等离子体的第一个模型,在带电粒子之间的碰撞并不是一个重要角色,它存在于一个与黑洞有关的强大的引力场中。模拟自然产生了被称为Blandford-Znajek机制的效应,该机制描述了形成喷流的扭曲磁场,另一个彭罗斯过程描述了负能量粒子被黑洞吞噬时会发生什么。

彭罗斯过程,尽管它对提取黑洞的旋转能量贡献并不大,但它可能直接与扭曲喷流磁场的电流有关。Parfrey指出,虽然研究团队的模拟比一些早期模型更详细,但仍在追赶观察结果,并在某些方面理想化,以简化执行模拟所需的计算。为了更真实地研究射流等离子体分布及其辐射发射,以便与观测结果进行比较,研究小组打算对射流中产生电子-正电子对过程建立更好的模型。还计划扩大模拟的范围,使其包括黑洞视界周围物质的流入流,即吸积流。希望对整个问题提供一个更加一致的观点。

博科园-科学科普|研究/来自:劳伦斯伯克利国家实验室

by Glenn Roberts Jr., Lawrence Berkeley National Laboratory

参考期刊文献:《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.035101

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