Джеты черных дыр могут создаваться странной “негативной энергией”, предположили астрономы

Когда черная дыра активно поглощает материю, часто возникает особый феномен: из ее полюсов появляются невероятно мощные джеты из плазмы, скорость которых близка к скорости света.

С учетом невероятной силы притяжения черной дыры, механизм образования этих джетов остается загадкой. Но команда физиков с помощью компьютерного моделирования нашла возможное объяснение — частицы с “негативной энергией” вытягивают энергию из черной дыры и направляют ее в джеты. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Джеты черных дыр могут создаваться странной “негативной энергией”, предположили астрономы
(Kyle Parfrey)

Новая гипотеза впервые объединила две, казалось бы, несовместимые теории о том, как энергия может извлекаться из черных дыр.

Первая теория называется процессом Блэнфорда — Знаека. Она описывает, как энергия извлекается из вращения электромагнитным полем самой черной дыры.

Материя аккреционного диска, с каждым оборотом приближаясь к горизонту событий, намагничивается и создает магнитное поле. Внутри этого поля черная дыра действует как вращающийся проводник, индуцируя напряжение между полюсами и экватором. Это напряжение сбрасывается с полюсов в виде джетов.

Вторая теория называется процессом Пенроуза, и в ней речь идет о сохранении импульса.

Вращательная энергия черной дыры заключена не внутри горизонта событий, а внутри эргосферы— области пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры, расположенной между горизонтом событий и пределом статичности. По теории Пенроуза, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения. Процесс создает “отрицательную энергию”.

Оба сценария вероятны, но до сегодняшнего дня было неясно, какой из них верен.

Команда физиков-теоретиков из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) создала модель поведения плазмы (без учета столкновений) в сильном гравитационном поле черной дыры. Чтобы плотность плазмы была более реалистичное, они учли создание электрон-позитронных пар в электрических полях.

Симуляция ожидаемо создала процесс Блэнфорда — Знаека — электроны и позитроны двигались в противоположных направлениях вокруг черной дыры, создавая энергию в электромагнитном поле, создающем джеты из полюсов.

Но симуляция также создала вариацию процесса Пенроуза. Из-за релятивистских эффектов некоторые из частиц словно бы имели “отрицательную энергию” при исчезновении в черной дыре — они на самую малую долю замедляли ее вращение.

По словам Кайла Парфрея, одного из авторов исследования, “если бы вы находились рядом с частицей, вы бы не увидели ничего необычного, но для удаленного наблюдателя она словно бы имеет негативную энергию”.

Как отмечает Парфрей, этот эффект особо не повлиял на общее извлечение энергии, но он может быть связан с электрическими потоками, искривляющими магнитные поля.

В модели не были учтены некоторые компоненты: отсутствует аккреционный диск, а физика образования электрон-позитронных пар могла бы быть более точной. Команда будет работать над улучшением модели.

 — 

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters, Целиком статью можно прочесть на сайте препринтов arXiv.

Другие статьи по теме:
~ Вселенная расширяется быстрее, чем ученые предполагали
~ Черная дыра нашей галактики, возможно, направила на нас свою релятивистскую струю
~ Излучение Хокинга-Зельдовича удалось впервые подтвердить в условиях лаборатории