Một hình ảnh từ một mô phỏng siêu máy tính cho thấy cách các positron hành xử gần chân trời sự kiện của một lỗ đen quay.
(Ảnh: © Kyle Parfrey et al./Ber siêu phòng thí nghiệm)
Lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức không thứ gì, thậm chí không nhẹ, có thể thoát ra khi nó đến quá gần. Tuy nhiên, có một cách để thoát khỏi lỗ đen - nhưng chỉ khi bạn là hạt hạ nguyên tử.
Khi các lỗ đen nuốt chửng vật chất trong môi trường xung quanh, chúng cũng phun ra những tia cực mạnh của plasma nóng chứa electron và positron, tương đương phản vật chất của electron. Ngay trước khi những hạt may mắn đến đó đến chân trời sự kiện, hoặc điểm không thể quay lại, chúng bắt đầu tăng tốc. Di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, những hạt này bay ra khỏi chân trời sự kiện và bị đẩy ra ngoài dọc theo trục quay của lỗ đen.
Được biết đến như những máy bay phản lực tương đối tính, những dòng hạt khổng lồ và mạnh mẽ này phát ra ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng. Mặc dù các nhà thiên văn học đã quan sát các máy bay phản lực trong nhiều thập kỷ, nhưng không ai biết chính xác làm thế nào các hạt thoát ra có được tất cả năng lượng đó. Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL) ở California đã làm sáng tỏ quá trình này. [Lỗ đen kỳ lạ nhất trong vũ trụ]
"Làm thế nào năng lượng trong vòng quay của lỗ đen có thể được rút ra để tạo ra máy bay phản lực?" Kyle Parfrey, người dẫn đầu các mô phỏng lỗ đen trong thời gian làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết trong một tuyên bố. "Đây là một câu hỏi trong một thời gian dài." Parfrey hiện là thành viên cao cấp tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Maryland.
Để cố gắng trả lời câu hỏi đó, Parfrey và nhóm của ông đã nghĩ ra một bộ mô phỏng siêu máy tính "kết hợp các lý thuyết hàng thập kỷ để cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về các cơ chế lái trong các tia plasma cho phép chúng đánh cắp năng lượng từ các trường hấp dẫn mạnh mẽ của lỗ đen và đẩy nó ra xa miệng há hốc, "các quan chức LBNL nói trong tuyên bố. Nói cách khác, họ đã điều tra làm thế nào lực hấp dẫn cực độ của một lỗ đen có thể cung cấp cho các hạt nhiều năng lượng đến mức chúng bắt đầu tỏa ra.
"Các mô phỏng, lần đầu tiên, hợp nhất một lý thuyết giải thích làm thế nào các dòng điện xung quanh lỗ đen biến từ trường thành các máy bay phản lực, với một lý thuyết riêng giải thích cách các hạt đi qua điểm đen không quay trở lại - chân trời sự kiện - có thể xuất hiện với một người quan sát ở xa để mang theo năng lượng tiêu cực và hạ thấp năng lượng quay chung của lỗ đen, "các quan chức LBNL nói. "Nó giống như ăn một bữa ăn nhẹ khiến bạn mất calo hơn là tăng chúng. Lỗ đen thực sự mất khối lượng do hậu quả của những hạt 'năng lượng tiêu cực' này."
Parfrey cho biết ông đã kết hợp hai lý thuyết này trong nỗ lực hợp nhất vật lý plasma thông thường với thuyết tương đối rộng của Einstein. Các mô phỏng không chỉ giải quyết gia tốc của các hạt và ánh sáng phát ra từ các tia nước tương đối tính, mà còn cần tính đến cách tạo ra các positron và electron ở vị trí đầu tiên: thông qua sự va chạm của các photon năng lượng cao, chẳng hạn như tia gamma. Quá trình này, được gọi là sản xuất cặp, có thể biến ánh sáng thành vật chất.
"Kết quả của các mô phỏng mới không khác biệt hoàn toàn so với các mô phỏng cũ, về mặt nào đó, yên tâm," Robert Penna, một nhà khoa học nghiên cứu của Trung tâm Vật lý thiên văn lý thuyết của Đại học Columbia, người không tham gia nghiên cứu. , đã viết trong một bài viết "Quan điểm" có liên quan trong tạp chí Vật lý Đánh giá.
"Tuy nhiên, Parfrey và cộng sự phát hiện ra một số hành vi thú vị và mới lạ", Penna nói. "Ví dụ, họ tìm thấy một quần thể hạt lớn có năng lượng tương đối âm, được đo bởi một người quan sát ở xa lỗ đen. Khi những hạt này rơi vào lỗ đen, tổng năng lượng của lỗ đen giảm."
Có một bất ngờ, mặc dù. Mô phỏng của Parfrey cho thấy có rất nhiều hạt năng lượng âm này chảy vào lỗ đen "năng lượng mà chúng trích ra khi rơi vào lỗ tương đương với năng lượng được chiết xuất từ cuộn dây của từ trường", Penna nói. "Công việc tiếp theo là cần thiết để xác nhận dự đoán này, nhưng nếu tác động của các hạt năng lượng âm mạnh như đã tuyên bố, nó có thể thay đổi kỳ vọng đối với quang phổ bức xạ từ máy bay phản lực lỗ đen."
Parfrey và nhóm của ông có kế hoạch cải tiến hơn nữa các mô hình của họ bằng cách so sánh các mô phỏng với bằng chứng quan sát từ các đài quan sát như Kính thiên văn Event Horizon mới, nhằm mục đích chụp những bức ảnh đầu tiên về lỗ đen. "Họ cũng có kế hoạch mở rộng phạm vi mô phỏng để bao gồm dòng vật chất không ổn định xung quanh chân trời sự kiện của lỗ đen, được gọi là dòng chảy bồi tụ của nó", các quan chức LBNL nói.
"Chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp một bức tranh phù hợp hơn về toàn bộ vấn đề," Parfrey nói.
Nghiên cứu được công bố vào thứ Tư (23 tháng 1) trong Thư đánh giá vật lý.
