2019-01-25 06:30:03
如何逃离黑洞 模拟为强大的等离子喷射提供了新的线索

黑洞因其贪婪的食欲而闻名,它们以如此凶猛的态度叮咬着物质,一旦被吞噬,光线就无法逃脱。

但是,较少理解的是黑洞如何清除能量锁定在旋转中,将近光速等离子体喷射到宇宙中最强大的显示器之一的相对侧的空间。这些喷气式飞机可向外延伸数百万光年。

由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员领导的新模拟结合了数十年前的理论,为等离子体射流中的驱动机制提供了新的见解,使其能够从黑洞中窃取能量。强大的引力场,远离它们张开的嘴巴。

模拟可以为事件视界望远镜的高分辨率观测提供有用的比较,该视野被设计用于提供等离子体射流形成区域的第一个直接图像。

望远镜将使我们银河系中心黑洞的新视图,以及其他超大质量黑洞的详细视图。

“如何提取黑洞旋转中的能量来制造喷气机?” Kyle Parfrey说,他是伯克利实验室核科学部附属的爱因斯坦博士后研究员,负责模拟工作。 “这已成为一个长期存在的问题。”

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1月23日发表在“物理评论快报”上的一项研究的主要作者,详细介绍了模拟研究。

模拟首次将一个解释黑洞周围的电流如何将磁场扭曲成形成射流的理论联合起来,用一个单独的理论解释了粒子如何穿过黑洞的不归路点 - 事件视界 - 可以出现远距离观察者携带负能量并降低黑洞的整体旋转能量。

这就像吃零食一样会导致你失去卡路里,而不是获得卡路里。由于这些“负能量”颗粒中的淤浆,黑洞实际上会损失质量。

计算机模拟难以模拟等离子体射流发射中涉及的所有复杂物理,其必须考虑电子和正电子对的产生,粒子的加速机制以及射流中的光发射。

伯克利实验室在其悠久的历史中为等离子体模拟做出了巨大贡献。等离子体是带电粒子的气体混合物,是宇宙中最常见的物质状态。

Parfrey说他意识到更好地描述喷气机的更复杂模拟需要结合等离子体物理学和广义相对论的专业知识。

“我认为现在是尝试将这两件事融合在一起的好时机,”他说。

在加利福尼亚州山景城的美国宇航局艾姆斯研究中心的一个超级计算中心进行的模拟中,模拟采用了新的数值技术,提供了无碰撞等离子体的第一个模型,其中带电粒子之间的碰撞不起主要作用 - 存在与黑洞相关的强引力场。

模拟自然产生的效应称为Blandford-Znajek机制,它描述了形成喷流的扭曲磁场,以及一个单独的Penrose过程,描述了负能量粒子被黑洞吞噬时会发生什么。

Penrose过程中,“即使它不一定能为提取黑洞的旋转能量做出那么大贡献,”Parfrey说,“可能与扭转喷气机磁场的电流直接相关。”

虽然比一些早期的模型更详细,但Parfrey指出他的团队的模拟仍在追赶观察,并且在某些方面理想化,以简化执行模拟所需的计算。

该团队打算更好地模拟在喷射器中产生电子 - 正电子对的过程,以便更加逼真地研究喷射器的等离子体分布和它们的辐射发射,以便与观察结果进行比较。他们还计划扩大模拟的范围,以包括黑洞事件视界周围的物质流动,称为吸积流。

“我们希望能够更全面地了解整个问题,”他说。

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