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最新发现:黑洞粒子喷流可能由“负能量”所推动

2019-05-25来源:锐财经
最新发现:黑洞粒子喷流可能由“负能量”所推动

黑洞粒子喷流可能由“负能量”所推动

当一个黑洞正在“进食”时,可以观察到一些奇怪的现象:极其强大的粒子喷流从它的两极射出,其速度接近光速。

由于这种喷流具有强烈引力的相互作用,这些喷流究竟是如何形成的是一个谜。现在,使用计算机模拟,一群物理学家已经找到了答案:这些粒子似乎从黑洞中提取“负能量”,并将其重新定向到等离子流出物上。

这一理论首次将两个不同的,看似不可调和的理论结合起来。

第一个理论被称为“布兰德福–日纳杰过程”(Blandford–Znajek process),它描述了如何利用黑洞的磁场从其旋转中提取能量。由罗杰·布兰福德和罗马·日纳杰于1977年提出,这是类星体能量来源的最佳解释之一,它需要围绕着旋转黑洞的吸积盘和强大的极向磁场。

随着吸积盘中的材料越来越接近事件视界,该理论指出,它越来越磁化,产生磁场。在该磁场内,黑洞充当旋转导体,在极和赤道之间感应电压,该电压作为射流从极点放电。

第二种叫做彭罗斯过程(Penrose process),它依赖于动量守恒而不是磁力。黑洞的旋转能量不是位于事件视界内部,而是在克尔时空被称为能层的区域,在那里粒子必然如同推进的火车头一样,随着时空一起转动,因此提取能量是可能的。根据彭罗斯的过程,如果一个物体在这个区域内分裂,一个向着黑洞冲击,另一个向外甩向黑洞的旋转,向外的部分会出现更多的能量,从而产生了一种“负能量”。

这两种理论都很引人注目,但直到现在,我们还不确定两个答案是否正确。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家凯尔·帕弗里说:“如何提取黑洞旋转中的能量来制造粒子喷流?这已成为一个长期存在争议的问题。”

在黑洞的强引力场存在的情况下,该团队设计了无碰撞粒子体的模拟(其中粒子碰撞不起主要作用)。他们还在电场制造了电子-正电子,这更接近更真实的粒子体的密度。

由此产生的模拟实验自然地产生了布兰德福–日纳杰过程:电子和正电子在黑洞周围沿相反方向移动,在电磁场中产生能量,这些能量作为射流射出极点。

但它也产生了彭罗斯过程的一种变体。由于相对论效应,当一些粒子消失在黑洞中时似乎具有“负能量”,这减缓了黑洞的旋转,只是少许的。

帕弗里说:“如果你正好在一个粒子旁边,你就不会看到任何奇怪的东西。但对于一个遥远的观察者来说,它看起来有负能量。如果它落入黑洞,它将导致质量和旋转减少。”。

帕弗里指出,这种影响实际上对整体能量提取没有太大贡献,但它可能与扭转磁场的电流有某种联系。

模拟实验也缺少一些组件,例如吸积盘,而正电子 - 电子创造的物理特性并不尽如人意。该团队将致力于开发更逼真的模拟,以更详细地研究该过程。

帕弗里说:“我们希望能够更全面地了解整个问题。”

该团队的研究成果发表在最新一期《物理评论快报》上。

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