Нова симулация показва бягството на плазма от черна дупка

Черните дупки са известни с ненаситния си апетит, но не всичко, което се доближава до тях, изчезва.

Преди материята да премине точката, от която няма връщане - хоризонта на събитията - има шанс да бъде изхвърлена във вид на струи плазма (джетове) със скорост близо до тази на светлината в противоположни страни в космоса в един от най-мощните процеси във Вселената. Тези струи могат да се простират на милиони светлинни години.

Нови симулации, водени от изследователи, работещи в Националната лаборатория на Лоуренс Бъркли (Berkeley Lab) и Калифорнийския университет в Бъркли, показаха движещите механизми на плазмените джетове, които им позволяват да крадат енергия от мощните гравитационни полета на черните дупки и ги изпращат далеч от зейналата им уста.

_{Източник: Aurore Simonnet, Sonoma State University}

Както се съобщава в Physical Review Letters, симулациите се основават на комбинация от физиката на плазмата и Общата теория на относителността. Техните резултати разкриват механизма, който задвижва електрическите потоци около черните дупки и тяхното взаимодействие с магнитното поле, както и друг феномен, известен като процес на Пенроуз. В този процес частиците, които пресичат хоризонта на събитията, изглежда имат “отрицателна енергия” за един далечен наблюдател.

Екипът моделира плазма, в която сблъсъците между частиците не играят роля в динамиката на плазмата, движеща се около силното гравитационно поле на виртуална черна дупка. В симулациите винаги има опростяване на реалните , но осигуряват нов подход към разбирането на природата и образуването на джетовете.

"Как може да се извлече енергия от въртенето на черната дупка, за да се генерират джетовете?", заяви водещият автор д-р Кайл Парфри (Kyle Parfrey) от лабораторията Бъркли. „Това е въпрос, които се дискутира отдавна”.

За основна причина е смятан механизма на Бландфорд-Знаек (Blandford-Znajek mechanism). Електрическите токове около черната дупка усукват магнитното поле, като образуват джетове, „крадейки” енергия от черната дупка като забавят въртенето ѝ.  

Изчисленията показват, че въртенето на черната дупка, заедно с ефекта на движещия се под влиянието на гравитацията й газ, ще накара линията на магнитното поле да се върти около гигантски спирали, които се въртят по оста на въртене на черната дупка. В този процес ротационната енергия на черната дупка се прехвърля бавно към магнитното поле. Енергията в магнитното поле евентуално се разсейва и преобразува в обикновена радиация чрез каскаден процес, включващ създаването на двойки и синхротронни ефекти. Счита се, че джетовете от черните дупки, като моделираната, захранват някои от най-ярките източници на рентгенови и радиоизлъчвания в небето.

_{Представа на художник за черна дупка с два противоположни джета. Черната дупка е заобиколена от облак от привлечен от гравитацията й газ (зелено), докато джетовете се определят чрез спираловидните линии на магнитното поле (синьо). Alexander Tchekhovskoy/Lawrence Berkeley National Laboratory}

Процесът на Пенроуз е подобен, но е свързан с частиците, които се поглъщат от черната дупка като това понижава общата енергия на въртене на черната дупка и по тази причина тя губи маса. 

Това е все едно да ядете храна, която ви кара да губите калории, вместо да ги натрупвате. Черната дупка всъщност губи маса в резултат на поглъщането на тези частици с "отрицателна енергия".

Изненадващо е, че новите симулации показват значителен поток от тези частици в черната дупка, толкова много, че енергията, която те извличат, е сравнима с енергията, извлечена от магнитното поле. 

^{Тази визуализация на показва плътността на позитроните в близост до хоризонта на събитията на въртяща се черна дупка. Плазмените нестабилности създават подобни на острови структури в областта на интензивен електрически ток. Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab}

Идеята е, че клъстер материя се движи около черна дупка по специална орбита, може внезапно да се разпадне на две, като едната част пада отвъд хоризонта на събитията, а другата получава тласък (кражба на енергия) и се изстрелва в безкрайността.

Процесът на Пенроуз, "въпреки че не е задължително да допринесе толкова много за извличане на енергията от въртенето на черната дупка", казва Парфри, "вероятно е пряко свързан с електрическите токове, които изкривяват магнитните полета на джетовете".

Екипът възнамерява да подобри модела, като включи създаването на електрон-позитронни двойки и по-реалистична радиационна емисия. 

Симулациите могат да осигурят полезно сравнение с наблюденията с висока резолюция от Event Horizon Telescope, масив, предназначен да осигури първите директни изображения на регионите, където се образуват плазмените джетове.

Телескопът ще даде възможност за нови изображения на черната дупка в центъра на нашата галактика Млечен път, както и подробни изгледи на други свръхмасивни черни дупки.

Източници:

First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching, Kyle Parfrey, Alexander Philippov, and Benoît Cerutti

Viewpoint: Feeding a Black Hole Jet, Robert F. Penna, Center for Theoretical Physics, Columbia University, New York, NY, USA

New Simulation Gives Us Clues On How To Escape A Black Hole, Alfredo Carpineti

How to escape a black hole: Simulations provide new clues about powerful plasma jets, DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

Още по темата

28/01/2019

Космос

Първата снимка на черна дупка е почти готова. Ето как може да изглежда (видео)

22/01/2019

Физика

Получени са доказателства за най-великото предсказание на Стивън Хокинг за черните дупки

13/01/2019

Космос

Български астрономи разгадават тайните на свръхмасивните черни дупки

11/01/2019

Космос

Тази експлодираща "крава" е първата наблюдавана черна дупка (видео)