如何才能逃離黑洞？最新模擬揭示了強大等離子體噴射的新線索！

黑洞以其貪婪的胃口而聞名，黑洞以如此兇猛的速度吞噬物質，一旦被吞噬，就連光也無法逃脫。然而在宇宙中最強大的顯示之一中，黑洞是如何釋放鎖定在其旋轉中的能量，將接近光速的等離子體噴射到空間的相反方向，目前對此知之甚少，而這些噴流可以向外延伸數百萬光年。由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley National Laboratory)和加州大學伯克利分校(UC Berkeley)研究人員牽頭進行的新模擬，結合了數十年的舊理論，為等離子體噴射的驅動機制提供了新洞見。等離子體噴射使它們能夠從黑洞強大的引力場中竊取能量，並將其推進遠離黑洞張大嘴巴的地方。

博科園-科學科普：這些模擬可以為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)的高解析度觀測提供有用對比。視界望遠鏡是一種陣列，旨在提供黑洞等離子射流形成區域的首批直接圖像。該望遠鏡將使我們能夠對銀河系中心黑洞以及其他超大質量黑洞的詳細觀測成為可能。凱爾·帕弗雷(Kyle Parfrey)說：如何提取黑洞旋轉的能量來製造噴流？這個問題已經存在很長時間了（Parfrey現在是馬里蘭州NASA戈達德太空飛行中心的高級研究員，他是2019年1月23日發表在《物理評論快報》上的一項研究的主要作者，該研究詳細描述了模擬研究）。

這個廣義相對論無碰撞等離子體模擬的可視化顯示了旋轉黑洞視界附近正電子密度，等離子體的不穩定性在強電流區域產生島狀結構。圖片：Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab

這些模擬首次將解釋黑洞周圍的電流如何將磁場扭曲成噴射流的理論與解釋粒子如何穿越黑洞的不可逆點(事件水平)理論結合起來，在遙遠的觀察者看來，粒子如何攜帶負能量並降低黑洞的整體旋轉能量。這就像吃零食會讓你減少而不是增加卡路里。黑洞實際上會因為吸入這些「負能量」粒子而失去質量。計算機模擬很難模擬等離子體射流發射過程中涉及的所有複雜物理現象，這些現象必須解釋電子和正電子對的產生、粒子的加速機制以及射流中光的發射。伯克利實驗室在其漫長的歷史中對等離子體模擬做出了廣泛的貢獻。等離子體是一種類似氣體的帶電粒子混合物，是宇宙中最常見的物質狀態之一。

要想更好地模擬噴射流，需要結合等離子體物理學和廣義相對論的專業知識。研究人員現在是把這兩件事結合起來的好時機。在加州山景的美國航空航天局埃姆斯研究中心一個超級計算中心進行的模擬實驗，模擬出了一種新的數字技術，它提供了第一個模型，是碰撞的等離子體的第一個模型，在帶電粒子之間的碰撞並不是一個重要角色，它存在於一個與黑洞有關的強大的引力場中。模擬自然產生了被稱為Blandford-Znajek機制的效應，該機制描述了形成噴流的扭曲磁場，另一個彭羅斯過程描述了負能量粒子被黑洞吞噬時會發生什麼。

彭羅斯過程，儘管它對提取黑洞的旋轉能量貢獻並不大，但它可能直接與扭曲噴流磁場的電流有關。Parfrey指出，雖然研究團隊的模擬比一些早期模型更詳細，但仍在追趕觀察結果，並在某些方面理想化，以簡化執行模擬所需的計算。為了更真實地研究射流等離子體分布及其輻射發射，以便與觀測結果進行比較，研究小組打算對射流中產生電子-正電子對過程建立更好的模型。還計劃擴大模擬的範圍，使其包括黑洞視界周圍物質的流入流，即吸積流。希望對整個問題提供一個更加一致的觀點。

博科園-科學科普｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

by Glenn Roberts Jr., Lawrence Berkeley National Laboratory

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.035101

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