黑洞粒子噴流可能由“負能量”所推動
當一個黑洞正在“進食”時，可以觀察到一些奇怪的現象：極其強大的粒子噴流從它的兩極射出，其速度接近光速。
由於這種噴流具有強烈引力的相互作用，這些噴流究竟是如何形成的是一個謎。現在，使用計算機模擬，一群物理學家已經找到了答案：這些粒子似乎從黑洞中提取“負能量”，並將其重新定向到等離子流出物上。
這一理論首次將兩個不同的，看似不可調和的理論結合起來。
第一個理論被稱為“布蘭德福–日納傑過程”（Blandford–Znajek process），它描述瞭如何利用黑洞的磁場從其旋轉中提取能量。由羅傑·布蘭福德和羅馬·日納傑於1977年提出，這是類星體能量來源的最佳解釋之一，它需要圍繞著旋轉黑洞的吸積盤和強大的極向磁場。
隨著吸積盤中的材料越來越接近事件視界，該理論指出，它越來越磁化，產生磁場。在該磁場內，黑洞充當旋轉導體，在極和赤道之間感應電壓，該電壓作為射流從極點放電。
第二種叫做彭羅斯過程（Penrose process），它依賴於動量守恆而不是磁力。黑洞的旋轉能量不是位於事件視界內部，而是在克爾時空被稱為能層的區域，在那裡粒子必然如同推進的火車頭一樣，隨著時空一起轉動，因此提取能量是可能的。根據彭羅斯的過程，如果一個物體在這個區域內分裂，一個向著黑洞衝擊，另一個向外甩向黑洞的旋轉，向外的部分會出現更多的能量，從而產生了一種“負能量”。
這兩種理論都很引人注目，但直到現在，我們還不確定兩個答案是否正確。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的理論物理學家凱爾·帕弗裡說：“如何提取黑洞旋轉中的能量來製造粒子噴流？這已成為一個長期存在爭議的問題。”
在黑洞的強引力場存在的情況下，該團隊設計了無碰撞粒子體的模擬（其中粒子碰撞不起主要作用）。他們還在電場製造了電子-正電子，這更接近更真實的粒子體的密度。
由此產生的模擬實驗自然地產生了布蘭德福–日納傑過程：電子和正電子在黑洞周圍沿相反方向移動，在電磁場中產生能量，這些能量作為射流射出極點。
但它也產生了彭羅斯過程的一種變體。由於相對論效應，當一些粒子消失在黑洞中時似乎具有“負能量”，這減緩了黑洞的旋轉，只是少許的。
帕弗裡說：“如果你正好在一個粒子旁邊，你就不會看到任何奇怪的東西。但對於一個遙遠的觀察者來說，它看起來有負能量。如果它落入黑洞，它將導致質量和旋轉減少。”。
帕弗裡指出，這種影響實際上對整體能量提取沒有太大貢獻，但它可能與扭轉磁場的電流有某種聯繫。
模擬實驗也缺少一些組件，例如吸積盤，而正電子 - 電子創造的物理特性並不盡如人意。該團隊將致力於開發更逼真的模擬，以更詳細地研究該過程。
帕弗裡說：“我們希望能夠更全面地瞭解整個問題。”
該團隊的研究成果發表在最新一期《物理評論快報》上。
閱讀更多 技術力量 的文章
