黑洞以其貪婪兇狠的胃口聞名，即使是光，一旦被吞沒也無法逃脫。

但一直以來，人們對(duì)黑洞如何消化那些被它們吃進(jìn)去的能量、又如何將近光速的等離子體流吐出來的過程知之甚少。黑洞噴射的超高速噴流能向外延伸數(shù)百萬光年。

來自美國能源部伯克利實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)伯克利分校的研究人員共同研究，結(jié)合了數(shù)十年來的理論，為黑洞的等離子射流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了新的見解，并為逃離黑洞提供了一條新思路：從黑洞強(qiáng)大的引力場中把能量偷出來，然后將其推遠(yuǎn)離黑洞的血盆大口。

此前，研究人員對(duì)世界各地現(xiàn)存的射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行協(xié)調(diào)，模擬出一臺(tái)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，即事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。這項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)與該望遠(yuǎn)鏡的高分辨率觀測之間可以形成一個(gè)有效的對(duì)比。

EHT可以捕捉到銀河系中心黑洞的清晰圖像，及其它的超大質(zhì)量黑洞。

該研究的主要作者、來自伯克利實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Kyle Parfrey說道：“如何將旋轉(zhuǎn)的黑洞中的能量抽出來做成噴流，已經(jīng)是個(gè)老生常談的問題了?！?/p>

相關(guān)論文已于23號(hào)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，其中對(duì)這項(xiàng)模擬研究進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

這項(xiàng)研究是第一次將解釋黑洞周圍電流如何將磁場扭曲成射流的理論、與粒子如何穿過黑洞視界有去無回的理論結(jié)合起來。從旁觀者的角度看起來，就像是一個(gè)攜帶著負(fù)能量的物體被黑洞吃了進(jìn)去，結(jié)果導(dǎo)致黑洞的總旋轉(zhuǎn)能量降低。

這就和你吃了一種可以讓你失去卡路里而非增加的零食一樣，黑洞因?yàn)槌粤诉@些負(fù)能量的粒子而損失了質(zhì)量。

使用計(jì)算機(jī)模擬很難對(duì)等離子噴射流中所涉及到的所有復(fù)雜物理都進(jìn)行建模，因?yàn)槟蔷捅仨毥忉岆娮雍苏娮訉?duì)的產(chǎn)生、粒子的加速機(jī)制、以及噴流中一起射出來的光。

等離子體是帶電粒子的類氣體混合物，也是宇宙中最常見的物質(zhì)狀態(tài)。

Parfrey意識(shí)到，要想更好地解析噴射流，完成更加復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn)，就需要將等離子體物理學(xué)的專業(yè)知識(shí)和廣義相對(duì)論結(jié)合起來。

“現(xiàn)在是時(shí)候了，將兩者結(jié)合?！彼f。

在NASA位于加州的超級(jí)計(jì)算中心中，研究人員在與黑洞有關(guān)的強(qiáng)引力場下，采用了新的數(shù)值技術(shù)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，完成了第一個(gè)無碰撞等離子體模型。在該模型中，帶電粒子之間的碰撞影響不大。

隨著模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行出現(xiàn)了一種叫做Blandford-Znajek（BZ過程）的機(jī)制，以及彭羅斯過程（Penrose process）。前者指的是磁場從旋轉(zhuǎn)黑洞提取能量和角動(dòng)量負(fù)載的過程，后者則描述了當(dāng)負(fù)能量粒子被黑洞吞沒時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

Parfrey表示：“雖然彭羅斯過程對(duì)于從黑洞中抽取能量來說不一定會(huì)有多大的貢獻(xiàn)，但它可能與扭曲了噴射流的磁場的電流具有直接關(guān)系?！?/p>

雖然這項(xiàng)新研究比一些早期的模型更加詳細(xì)，但Parfrey也指出，該研究仍需進(jìn)一步深入觀察，并簡化執(zhí)行模擬時(shí)所需的計(jì)算。

為了研究噴流的等離子體分布及其輻射，該團(tuán)隊(duì)打算對(duì)噴流中產(chǎn)生電子和正電子對(duì)的過程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以便與現(xiàn)在當(dāng)前的觀測結(jié)果相對(duì)比。他們還計(jì)劃擴(kuò)大模擬的范圍，包括黑洞視界附近的吸積流。

“我們希望能完成一幅完整的藍(lán)圖。”他說。

上圖是廣義相對(duì)論無碰撞等離子體模擬的可視化圖像，顯示了旋轉(zhuǎn)黑洞視界附近正電子的密度。等離子體的不穩(wěn)定性在強(qiáng)電流區(qū)域會(huì)產(chǎn)生島狀結(jié)構(gòu)。圖：Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab