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神秘亚原子微粒如何逃离黑洞?超级计算机找到答案

来源:CNBETA  责任编辑:小易  

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超级计算机可视化模拟了正电子在旋转黑洞附近的行为特征

当黑洞吞噬周围物质的时候,也会喷射出包含正负电子的高能等离子体喷流。就在这些幸运微粒到达黑洞视界之前,它们开始加速。它们速度接近光速,从黑洞视界反弹出去,或者沿着黑洞旋转轴向外抛出。

这些数量庞大且强大的粒子流被称为“相对射流”,它们释放的光线,我们可以使用望远镜进行观测。尽管天文学家们已经观察这些喷射流几十年时间,但没有人确切知道这些逃逸粒子是如何获得能量的。在一项最新研究中,美国加州劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员对该过程有了新的认识。

研究负责人、伯克利实验室博士后凯尔·帕弗雷(Kyle Parfrey)说:“黑洞旋转的能量是如何被提取出来形成喷射流的?这个问题已经存在很长时间,是科学界悬而未决的一个谜团。”

伯克利实验室表示,为了揭晓这个谜团,帕弗雷和研究小组设计了一套超级计算机模拟实验,结合几十年前理论数据提供对等离子体喷流驱动机制的最新见解,从而解释如何从黑洞超强引力中窃取能量,并推动它远离黑洞。换句话讲,他们研究了黑洞极端引力如何能对粒子提供如此多的能量,使它们向外辐射。

这项模拟实验,首次从理论上解释环绕黑洞的电流如何与磁场扭曲结合在一起,形成喷射流,并使用一个单独的理论解释粒子如何穿越黑洞临界点——事件视界,远距离观测者会观测到黑洞“负能量”,并低估了黑洞整体旋转能量。实际上,黑洞是因为吸入这些“负能量”,而失去了质量。

帕弗雷表示,将这两种理论结合在一起,试图将普通等离子体物理学与爱因斯坦广义相对论相整合。这项模拟实验不仅要考虑粒子加速度和来自相对喷射流的光线,还需要考虑正负电子是如何最初形成——它们通过高能光子碰撞(例如伽马射线)产生的。这一过程被称为“电子偶产生”,可以将光转化为物质。

哥伦比亚大学理论天体物理学中心研究科学家罗伯特·佩纳(Robert Penna)说:“最新模拟结果完全不同于之前的模拟实验,也就是说从某种意义上讲是放心可靠的。”他将相关观点的研究报告发表在《物理评论快报》上。

佩纳说:“然而帕弗雷等人发现一些粒子非常有趣,并且具有独特行为特征。例如:他们发现大量粒子的相对能量是负的,就像远离黑洞的观测者所测量的那样。当这些粒子落入黑洞,黑洞总能量就会减少。”

不过还有一个惊喜,帕弗雷的模拟实验表明,有如此多的负能量粒子流入黑洞,它们落入黑洞所吸收的能量与磁场纠缠所吸收的能量相当,要证实这一预测还需要进一步研究分析,但是如果负能量粒子的影响像预测的那样强烈,它可能会改变人们对黑洞喷射流辐射光谱的预期。

帕弗雷和研究同事计划进一步改进他们的模型,将模拟结果与“视界望远镜”等天文台的观测数据进行比较,伯克利实验室表示,研究人员计划扩大模拟范围,其中包括黑洞视界附近的物质流入物质,即吸积流。我们希望对整个问题提出一个更加一致的看法。目前,这项最新研究报告发表在近期出版的《物理评论快报》上。(叶倾城)


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