Een visualisatie van een supercomputersimulatie laat zien hoe positronen zich gedragen nabij de gebeurtenishorizon van een roterend zwart gat.
(Afbeelding: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
De zwaartekracht van een zwart gat is zo sterk dat niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen als het te dichtbij komt. Er is echter één manier om aan een zwart gat te ontsnappen, maar alleen als je een subatomair deeltje bent.
Terwijl zwarte gaten de materie in hun omgeving opslokken, spuwen ze ook krachtige stralen heet plasma uit die elektronen en positronen bevatten, het antimaterie-equivalent van elektronen. Net voordat die gelukkige inkomende deeltjes de horizon van het evenement bereiken, of het punt waarop ze niet meer kunnen terugkeren, beginnen ze te versnellen. Deze deeltjes bewegen zich dicht bij de lichtsnelheid en kaatsen uit de horizon van de gebeurtenis en worden naar buiten geslingerd langs de rotatieas van het zwarte gat.
Bekend als relativistische stralen, zenden deze enorme en krachtige stromen van deeltjes licht uit dat we met telescopen kunnen zien. Hoewel astronomen de stralen al tientallen jaren observeren, weet niemand precies hoe de ontsnappende deeltjes al die energie krijgen. In een nieuwe studie werpen onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Californië nieuw licht op het proces. [De vreemdste zwarte gaten in het heelal]
'Hoe kan de energie in de rotatie van een zwart gat worden onttrokken om stralen te maken?' Kyle Parfrey, die tijdens zijn tijd als postdoc bij Berkeley Lab de simulatie van het zwarte gat leidde, zei in een verklaring. 'Dit is al heel lang een vraag.' Parfrey is nu een senior fellow bij het Goddard Space Flight Center van NASA in Maryland.
Om te proberen die vraag te beantwoorden, bedachten Parfrey en zijn team een reeks supercomputersimulaties die "decennia-oude theorieën" combineerden om nieuw inzicht te geven in de aandrijfmechanismen in de plasmastralen, waardoor ze energie konden stelen uit de krachtige zwaartekrachtsvelden van zwarte gaten en stuw het uit de buurt van hun gapende mond, "zeiden LBNL-functionarissen in de verklaring. Met andere woorden, ze onderzochten hoe de extreme zwaartekracht van een zwart gat deeltjes zoveel energie kan geven dat ze beginnen uit te stralen.
"De simulaties verenigen voor het eerst een theorie die uitlegt hoe elektrische stromen rond een zwart gat magnetische velden verdraaien tot vormende stralen, met een aparte theorie die uitlegt hoe deeltjes die door een terugkeerpunt van een zwart gat - de gebeurtenishorizon - kunnen gaan Het lijkt erop dat een verre waarnemer negatieve energie in zich draagt en de totale rotatie-energie van het zwarte gat verlaagt ', aldus LBNL-functionarissen. 'Het is alsof je een tussendoortje eet waardoor je eerder calorieën verliest dan dat je ze binnenkrijgt. Het zwarte gat verliest massa door het slurpen in deze' negatieve energie'-deeltjes. '
Parfrey zei dat hij de twee theorieën combineerde in een poging om gewone plasmafysica te combineren met Einsteins algemene relativiteitstheorie. De simulaties moesten niet alleen de versnelling van de deeltjes en het licht van de relativistische stralen aanpakken, maar moesten ook rekening houden met de manier waarop de positronen en elektronen in de eerste plaats worden gecreëerd: via de botsingen van hoogenergetische fotonen, zoals gammastraling. Dit proces, paarproductie genoemd, kan licht in materie veranderen.
"De resultaten van de nieuwe simulaties verschillen niet radicaal van die van de oude ... simulaties, wat in zekere zin geruststellend is", Robert Penna, een onderzoekwetenschapper bij het Columbia University's Centre for Theoretical Astrophysics die niet betrokken was bij de studie , schreef in een gerelateerd "Viewpoints" -artikel in het tijdschrift Physical Review Letters.
'Parfrey et al. Ontdekken echter een aantal interessante en nieuwe gedragingen', zei Penna. 'Ze vinden bijvoorbeeld een grote populatie deeltjes waarvan de relativistische energie negatief is, gemeten door een waarnemer ver van het zwarte gat. Wanneer deze deeltjes in het zwarte gat vallen, neemt de totale energie van het zwarte gat af.'
Er was echter een verrassing. Parfrey's simulaties laten zien dat er zoveel van deze negatieve-energiedeeltjes in het zwarte gat stromen "dat de energie die ze onttrekken door in het gat te vallen vergelijkbaar is met de energie die wordt onttrokken door de opwinding van het magnetische veld", zei Penna. "Vervolgwerk is nodig om deze voorspelling te bevestigen, maar als het effect van negatieve-energiedeeltjes zo sterk is als wordt beweerd, zou dit de verwachtingen voor de stralingsspectra van zwart-gatstralen kunnen veranderen."
Parfrey en zijn team zijn van plan hun modellen verder te verbeteren door de simulaties te vergelijken met observationeel bewijs van observatoria zoals de nieuwe Event Horizon Telescope, die tot doel heeft de eerste foto's van een zwart gat te maken. "Ze zijn ook van plan de reikwijdte van de simulaties uit te breiden met de stroom van invallende materie rond de horizon van het zwarte gat, bekend als de aanwasstroom", aldus de functionarissen van LBNL.
'We hopen een consistenter beeld te krijgen van het hele probleem', zei Parfrey.
De studie werd woensdag (23 januari) gepubliceerd in Physical Review Letters.
