Eine Visualisierung aus einer Supercomputersimulation zeigt, wie sich Positronen in der Nähe des Ereignishorizonts eines rotierenden Schwarzen Lochs verhalten.
(Bild: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann, wenn es zu nahe kommt. Es gibt jedoch einen Weg, einem Schwarzen Loch zu entkommen - aber nur, wenn Sie ein subatomares Teilchen sind.
Während Schwarze Löcher die Materie in ihrer Umgebung verschlingen, spucken sie auch mächtige Strahlen aus heißem Plasma aus, die Elektronen und Positronen enthalten, das Antimaterie-Äquivalent von Elektronen. Kurz bevor diese glücklichen ankommenden Partikel den Ereignishorizont oder den Punkt ohne Rückkehr erreichen, beginnen sie zu beschleunigen. Diese Teilchen bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit vom Ballhorizont ab und werden entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs nach außen geschleudert.
Diese enormen und mächtigen Partikelströme, die als relativistische Jets bekannt sind, senden Licht aus, das wir mit Teleskopen sehen können. Obwohl Astronomen die Jets seit Jahrzehnten beobachten, weiß niemand genau, wie die entweichenden Teilchen all diese Energie erhalten. In einer neuen Studie werfen Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Kalifornien ein neues Licht auf den Prozess. [Die seltsamsten schwarzen Löcher im Universum]
"Wie kann die Energie in der Rotation eines Schwarzen Lochs extrahiert werden, um Jets herzustellen?" Kyle Parfrey, der während seiner Zeit als Postdoktorand am Berkeley Lab die Simulationen des Schwarzen Lochs leitete, sagte in einer Erklärung. "Das ist schon lange eine Frage." Parfrey ist jetzt Senior Fellow am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland.
Um diese Frage zu beantworten, entwickelten Parfrey und sein Team eine Reihe von Supercomputersimulationen, die "jahrzehntealte Theorien kombinierten, um neue Erkenntnisse über die Antriebsmechanismen in den Plasmastrahlen zu gewinnen, die es ihnen ermöglichen, Energie aus den starken Gravitationsfeldern der Schwarzen Löcher zu stehlen." treiben es weit weg von ihren klaffenden Mündern ", sagten LBNL-Beamte in der Erklärung. Mit anderen Worten, sie untersuchten, wie die extreme Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs Partikeln so viel Energie geben kann, dass sie anfangen zu strahlen.
"Die Simulationen vereinen zum ersten Mal eine Theorie, die erklärt, wie elektrische Ströme um ein Schwarzes Loch Magnetfelder in sich bildende Jets verwandeln, und eine separate Theorie, die erklärt, wie Teilchen den Punkt ohne Wiederkehr eines Schwarzen Lochs - den Ereignishorizont - durchqueren können scheinen einem entfernten Beobachter negative Energie zu transportieren und die gesamte Rotationsenergie des Schwarzen Lochs zu senken ", sagten LBNL-Beamte. "Es ist, als würde man einen Snack essen, bei dem man Kalorien verliert, anstatt sie zu gewinnen. Das Schwarze Loch verliert tatsächlich an Masse, wenn man diese Partikel mit negativer Energie schlürft."
Parfrey sagte, er habe die beiden Theorien kombiniert, um die gewöhnliche Plasmaphysik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu verschmelzen. Die Simulationen mussten nicht nur die Beschleunigung der Teilchen und das Licht der relativistischen Jets berücksichtigen, sondern auch die Art und Weise berücksichtigen, wie die Positronen und Elektronen überhaupt erzeugt werden: über die Kollisionen von hochenergetischen Photonen, wie Gammastrahlen. Dieser als Paarproduktion bezeichnete Prozess kann Licht in Materie verwandeln.
"Die Ergebnisse der neuen Simulationen unterscheiden sich nicht radikal von denen der alten ... Simulationen, was in gewissem Sinne beruhigend ist", sagte Robert Penna, ein Wissenschaftler am Center for Theoretical Astrophysics der Columbia University, der nicht an der Studie beteiligt war , schrieb in einem verwandten "Viewpoints" -Artikel in der Zeitschrift Physical Review Letters.
"Parfrey et al. Entdecken jedoch einige interessante und neuartige Verhaltensweisen", sagte Penna. "Zum Beispiel finden sie eine große Population von Partikeln, deren relativistische Energien negativ sind, gemessen von einem Beobachter weit entfernt vom Schwarzen Loch. Wenn diese Partikel in das Schwarze Loch fallen, nimmt die Gesamtenergie des Schwarzen Lochs ab."
Es gab jedoch eine Überraschung. Parfreys Simulationen zeigen, dass so viele dieser negativen Energieteilchen in das Schwarze Loch fließen, "dass die Energie, die sie durch das Fallen in das Loch extrahieren, mit der Energie vergleichbar ist, die durch die Wicklung des Magnetfelds extrahiert wird", sagte Penna. "Follow-up-Arbeiten sind erforderlich, um diese Vorhersage zu bestätigen. Wenn der Effekt von Partikeln mit negativer Energie jedoch so stark ist wie behauptet, könnte dies die Erwartungen an die Strahlungsspektren von Schwarzlochstrahlen verändern."
Parfrey und sein Team planen, ihre Modelle weiter zu verbessern, indem sie die Simulationen mit Beobachtungsergebnissen von Observatorien wie dem neuen Event Horizon Telescope vergleichen, mit dem die ersten Fotos eines Schwarzen Lochs aufgenommen werden sollen. "Sie planen auch, den Umfang der Simulationen zu erweitern, um den Fluss von infallierender Materie um den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs, den sogenannten Akkretionsfluss, einzubeziehen", sagten LBNL-Beamte.
"Wir hoffen, ein konsistenteres Bild des gesamten Problems zu liefern", sagte Parfrey.
Die Studie wurde am Mittwoch (23. Januar) in Physical Review Letters veröffentlicht.
