逃離黑洞的方法？把能量偷出來

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，人們對黑洞如何消化那些被它們吃進去的能量、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驗室與加州大學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)動機制提供了新的見解，并為逃離黑洞提供了一條新思路：從黑洞強大的引力場中把能量偷出來，然后將其推遠離黑洞的血盆大口。

此前，研究人員對世界各地現(xiàn)存的射電望遠鏡進行協(xié)調(diào)，模擬出一臺地球大小的望遠鏡，即事件視界望遠鏡（EHT）。這項模擬實驗與該望遠鏡的高分辨率觀測之間可以形成一個有效的對比。

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、來自伯克利實驗室的博士后研究員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)是個老生常談的問題了?！?/p>

相關(guān)論文已于23號發(fā)表在《物理評論快報》上，其中對這項模擬研究進行了詳細的說明。

這項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，就像是一個攜帶著負能量的物體被黑洞吃了進去，結(jié)果導致黑洞的總旋轉(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，黑洞因為吃了這些負能量的粒子而損失了質(zhì)量。

使用計算機模擬很難對等離子噴射流中所涉及到的所有復雜物理都進行建模，因為那就必須解釋電子核正電子對的產(chǎn)生、粒子的加速機制、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意識到，要想更好地解析噴射流，完成更加復雜的模擬實驗，就需要將等離子體物理學的專業(yè)知識和廣義相對論結(jié)合起來。

“現(xiàn)在是時候了，將兩者結(jié)合?！彼f。

在NASA位于加州的超級計算中心中，研究人員在與黑洞有關(guān)的強引力場下，采用了新的數(shù)值技術(shù)進行了模擬實驗，完成了第一個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。

隨著模擬實驗的進行出現(xiàn)了一種叫做Blandford-Znajek（BZ過程）的機制，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量負載的過程，后者則描述了當負能量粒子被黑洞吞沒時會發(fā)生什么。

Parfrey表示：“雖然彭羅斯過程對于從黑洞中抽取能量來說不一定會有多大的貢獻，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>

雖然這項新研究比一些早期的模型更加詳細，但Parfrey也指出，該研究仍需進一步深入觀察，并簡化執(zhí)行模擬時所需的計算。

為了研究噴流的等離子體分布及其輻射，該團隊打算對噴流中產(chǎn)生電子和正電子對的過程進行模擬實驗，以便與現(xiàn)在當前的觀測結(jié)果相對比。他們還計劃擴大模擬的范圍，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圖。”他說。

上圖是廣義相對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)定性在強電流區(qū)域會產(chǎn)生島狀結(jié)構(gòu)。圖：Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab