การสร้างภาพจากการจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่าโพสิตรอนมีพฤติกรรมใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่หมุน
(ภาพ: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
แรงดึงโน้มถ่วงของหลุมดำนั้นแรงมากจนไม่มีอะไรเบาแม้แต่น้อยสามารถหลบหนีได้เมื่อมันเข้าใกล้เกินไป อย่างไรก็ตามมีวิธีหนึ่งที่จะหนีหลุมดำได้ - แต่ถ้าคุณเป็นอนุภาคย่อย
เมื่อหลุมดำกลืนกินสิ่งรอบตัวพวกมันก็พ่นไอพ่นพลาสมาอันทรงพลังซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนและโพสิตรอนซึ่งเป็นปฏิสสารที่เทียบเท่ากับอิเล็กตรอน ก่อนที่อนุภาคที่เข้ามาของผู้โชคดีจะไปถึงขอบฟ้าเหตุการณ์หรือไม่กลับมาพวกมันก็จะเร่ง เมื่อเคลื่อนเข้าใกล้ความเร็วแสงอนุภาคเหล่านี้จะสะท้อนออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์และพุ่งออกไปตามแนวแกนหมุนของหลุมดำ
รู้จักกันในชื่อ jets relativistic ลำธารขนาดมหึมาและทรงพลังเหล่านี้เปล่งแสงที่เราสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ แม้ว่านักดาราศาสตร์จะสังเกตการณ์เครื่องบินไอพ่นมานานหลายทศวรรษ แต่ก็ไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าอนุภาคที่หลบหนีได้รับพลังงานทั้งหมดอย่างไร ในการศึกษาใหม่นักวิจัยที่มีห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบิร์กลีย์ (LBNL) ในแคลิฟอร์เนียแสดงให้เห็นถึงกระบวนการใหม่ [หลุมดำที่แปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล]
"พลังงานในการหมุนของหลุมดำสามารถสกัดเพื่อสร้างไอพ่นได้อย่างไร" Kyle Parfrey ซึ่งเป็นผู้นำการจำลองหลุมดำในช่วงเวลาที่เขาเป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกที่ Berkeley Lab กล่าวในแถลงการณ์ "นี่เป็นคำถามมานานแล้ว" ตอนนี้ Parfrey เป็นเพื่อนอาวุโสของศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดในรัฐแมรี่แลนด์
เพื่อพยายามตอบคำถามนั้น Parfrey และทีมของเขาได้สร้างชุดจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ "รวมทฤษฎีเก่าแก่หลายสิบปีเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกลไกการขับขี่ในเครื่องบินไอพ่นพลาสมาที่ช่วยให้พวกเขาขโมยพลังงานจากสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำและ ขับเคลื่อนมันออกไปจากปากที่อ้าปากค้างของพวกเขา "เจ้าหน้าที่ LBNL กล่าวในแถลงการณ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาตรวจสอบว่าแรงโน้มถ่วงแรงสุดขีดของหลุมดำสามารถให้อนุภาคพลังงานมากเพียงใดที่พวกเขาเริ่มเปล่งแสง
"การจำลองเป็นครั้งแรกที่รวมทฤษฎีที่อธิบายว่ากระแสไฟฟ้ารอบ ๆ หลุมดำบิดสนามแม่เหล็กให้กลายเป็นไอพ่นได้อย่างไรโดยมีทฤษฎีแยกอธิบายว่าอนุภาคเคลื่อนที่ผ่านจุดดำของหลุมดำได้อย่างไร - ขอบฟ้าเหตุการณ์ - สามารถ ดูเหมือนจะเป็นผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไกลออกไปเพื่อดำเนินการในพลังงานเชิงลบและลดพลังงานการหมุนโดยรวมของหลุมดำ "เจ้าหน้าที่ LBNL กล่าว “ มันเหมือนกับการกินของว่างที่ทำให้คุณสูญเสียแคลอรี่มากกว่าที่จะได้รับพวกมันจริง ๆ แล้วหลุมดำสูญเสียมวลไปเนื่องจากการ slurping ในอนุภาค 'พลังงานเชิงลบ' เหล่านี้ "
Parfrey กล่าวว่าเขาได้รวมทฤษฎีทั้งสองไว้ในความพยายามที่จะหลอมรวมฟิสิกส์พลาสมาปกติกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein การจำลองต้องแก้ไขไม่เพียง แต่การเร่งความเร็วของอนุภาคและแสงที่มาจากไอพ่นสัมพัทธ์ แต่มันยังต้องคำนึงถึงวิธีที่โพสิตรอนและอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นในตอนแรกด้วยการชนของโฟตอนพลังงานสูง เช่นรังสีแกมมา กระบวนการนี้เรียกว่าการผลิตแบบคู่สามารถเปลี่ยนแสงให้เป็นสสารได้
"ผลของการจำลองแบบใหม่ไม่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากแบบจำลองเก่า ... ซึ่งในบางแง่ก็ให้ความมั่นใจ" Robert Penna นักวิทยาศาสตร์การวิจัยกับศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษา เขียนในบทความ "มุมมอง" ที่เกี่ยวข้องในวารสาร Physical Review Letters
“ อย่างไรก็ตาม Parfrey et al. เปิดเผยพฤติกรรมที่น่าสนใจและแปลกใหม่” Penna กล่าว "ตัวอย่างเช่นพวกเขาพบว่ามีประชากรจำนวนมากที่มีความสัมพันธ์เชิงพลังงานเป็นลบซึ่งวัดโดยผู้สังเกตการณ์ไกลจากหลุมดำเมื่ออนุภาคเหล่านี้ตกลงไปในหลุมดำพลังงานทั้งหมดของหลุมดำจะลดลง"
มีสิ่งหนึ่งที่ทำให้ประหลาดใจ การจำลองของ Parfrey แสดงให้เห็นว่ามีอนุภาคพลังงานเชิงลบจำนวนมากที่ไหลเข้าสู่หลุมดำ "ซึ่งพลังงานที่พวกมันสกัดโดยการตกลงไปในหลุมนั้นเปรียบได้กับพลังงานที่สกัดโดยการหมุนของสนามแม่เหล็ก" Penna กล่าว "งานติดตามผลเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อยืนยันการทำนายนี้ แต่หากผลของอนุภาคพลังงานเชิงลบมีความแข็งแกร่งเท่าที่อ้างไว้มันสามารถเปลี่ยนความคาดหวังของสเปกตรัมรังสีจากไอพ่นหลุมดำได้"
Parfrey และทีมของเขาวางแผนที่จะปรับปรุงแบบจำลองของพวกเขาให้ดีขึ้นโดยการเปรียบเทียบแบบจำลองกับหลักฐานเชิงสังเกตการณ์จากหอสังเกตการณ์เช่นกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ใหม่ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อถ่ายภาพแรกของหลุมดำ “ พวกเขาวางแผนที่จะขยายขอบเขตของการจำลองเพื่อรวมการไหลของสสารที่เกิดขึ้นรอบ ๆ ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่รู้จักกันในชื่อการไหลแบบเพิ่มขึ้น” เจ้าหน้าที่ LBNL กล่าว
“ เราหวังว่าจะให้ภาพรวมของปัญหาทั้งหมดที่สอดคล้องกันมากขึ้น” Parfrey กล่าว
การศึกษาถูกตีพิมพ์ในวันพุธ (23 มกราคม) ในจดหมายทบทวนทางกายภาพ
