超級計算機模擬:解開粒子從黑洞中逃脫之謎

2020-11-23 驅動之家

黑洞的引力強大到連光線都無法逃脫。但假如是亞原子粒子的話，還是有一種方法可以從黑洞中逃脫的。

黑洞在吞噬周圍物質的同時，還會噴吐出熾熱的、由電子和正電子構成的強大等離子噴流。而就在這些「幸運兒」抵達事件視界的一瞬間，它們會開始加速運行，達到接近光速的程度，最終像炮彈一般衝出事件視界，沿著黑洞自轉軸旋轉著向外飛去。

這些強大的粒子流被稱作「相對論噴流」，我們可以用望遠鏡觀察到它們發出的光線。雖然天文學家早在幾十年前就觀察到了這些噴流，但無人清楚這些粒子的能量究竟從何而來。但一項由美國加州勞倫斯·伯克利國家實驗室（LBNL）開展的新研究為這一過程提供了一些新線索。

「黑洞旋轉過程中的能量是如何被提取出來、形成噴流的？」在該實驗室擔任博士後研究員期間領導黑洞模擬過程的凱爾·帕弗雷（Kyle Parfrey）指出，「這是一個存在已久的問題。」帕弗雷如今是NASA戈達德太空飛行中心的一名高級研究員。

為回答這一問題，帕弗雷及其團隊開展了一系列超級計算機模擬，「結合數十年來的理論，為等離子流從黑洞的強大引力場中竊取能量、並遠遠逃離黑洞血盆大口的驅動機制提供新線索」。換句話說，他們是想研究黑洞的極大引力如何能賦予粒子如此多的能量、使其能夠從黑洞中發射出去。

計算機模擬結果首次將兩條側重點不同的理論統一在了一起：一條解釋了黑洞周圍的電流如何通過扭曲磁場形成噴流，另一條則解釋了通過『有去無回』的事件邊界的粒子在遠處的觀察者眼中如何帶有負能量、從而降低整個黑洞的旋轉動能。」該實驗室解釋道，「這就像所謂的『負卡路裡』零食一樣。黑洞吞噬這些『負能量』粒子之後，質量其實會不增反減。」

帕弗雷表示，他將兩套理論結合在一起，是試圖將普通等離子體物理學與愛因斯坦廣義相對論相融合。計算機模擬不僅要解決粒子的加速問題、以及相對論噴流的光線從何而來的問題，還需要解釋其中的正電子和電子究竟是如何被創造出來的。答案是通過高能光子撞擊，如伽馬射線等。這一過程名叫「對產生」（pair production），能夠將光轉化為物質。

「此次新模擬結果與之前的模擬並沒有太大區別，從某種意義上來說，這令人放心了一些。」哥倫比亞大學理論天體物理學中心的研究科學家羅伯特·潘納（Robert Penna）表示。「但帕弗雷等人也做出了一些有意思的新發現。例如，他們發現了大量從遠離黑洞的觀察者看來、相對論能量為負的粒子。這些粒子落入黑洞後，黑洞的總能量就會有所減少。」

不過他們的發現有一點令人意外之處。帕弗雷所做模擬顯示，流入黑洞的負能量粒子非常多，「以致於它們通過落入黑洞獲取的能量足以與磁場扭曲獲取的能量相當」。潘納指出，「這一點還需要開展進一步工作才能證實。但假如負能量粒子的影響真如模擬所示這般強大，我們對黑洞噴流輻射頻譜的預期也將因此改變。」

帕弗雷和他的團隊計劃將此次模擬結果與新視野號望遠鏡等設備的觀測結果進行比較，從而進一步改進自己的模型。他們還計劃擴寬模擬範圍，將事件視界周圍落入黑洞的物質的流動情況也納入其中。「我們希望能對整個問題給出更持續統一的描述。」

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