スーパーコンピューターシミュレーションからの可視化は、回転するブラックホールのイベントホライズンの近くで陽電子がどのように動作するかを示しています。
（画像：©Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab）
ブラックホールの引力は非常に強いため、近づきすぎると、光さえも、何も逃げることができません。ただし、ブラックホールを脱出する方法は1つあります。ただし、原子未満の粒子の場合のみです。
ブラックホールが周囲の物質を飲み込むと、電子と陽電子（電子と同等の反物質）を含む高温プラズマの強力なジェットを放出します。それらの幸運な到来粒子がイベントの地平線に到達する直前、または戻ってこないポイントで、それらは加速し始めます。これらの粒子は光速に近づくと、イベントの地平線から跳ね返り、ブラックホールの回転軸に沿って外側に投げ出されます。
相対論的ジェットとして知られているこれらの巨大で強力な粒子の流れは、望遠鏡で見ることができる光を放出します。天文学者は何十年にもわたってジェットを観察してきましたが、脱出する粒子がそのすべてのエネルギーを得る方法を正確に知る人は誰もいません。新しい研究では、カリフォルニアのローレンスバークレー国立研究所（LBNL）の研究者がプロセスに新たな光を当てました。 [宇宙の奇妙なブラックホール]
「ブラックホールの回転のエネルギーをどのように抽出してジェットを作ることができるのか？」 Berkeley Labの博士研究員としてブラックホールシミュレーションを主導したカイルパフリーは声明で述べました。 「これは長い間問題でした。」パフリーは現在、メリーランド州にあるNASAのゴダード宇宙飛行センターの上級研究員です。
その質問に答えようとするため、Parfreyと彼のチームは、「数十年前の理論を組み合わせて、ブラックホールの強力な重力場と口を大きく開くことから遠ざける」と述べた。言い換えれば、ブラックホールの極端な重力が粒子に非常に多くのエネルギーを与え、放射を開始する方法を調査しました。
「シミュレーションは初めて、ブラックホールの周囲の電流が磁場をねじってジェットを形成する方法を説明する理論と、ブラックホールのノーリターンポイントを通過する粒子がどのように交差するかを説明する別の理論を統合します—イベントホライズン—負のエネルギーを持ち込み、ブラックホールの全体的な回転エネルギーを下げるように遠くの観測者に見えます」とLBNLの当局者は言った。 「それはあなたがそれらを得るのではなくカロリーを失う原因となるおやつを食べるようなものです。ブラックホールは実際にはこれらの「負のエネルギー」粒子を丸呑みした結果として質量を失います。」
パフリー氏は、通常のプラズマ物理学とアインシュタインの一般相対性理論を融合させるために、2つの理論を組み合わせたと述べた。シミュレーションでは、粒子の加速と相対論的ジェットからの光だけでなく、陽電子と電子が最初に生成される方法を説明する必要もありました。高エネルギー光子の衝突によるものです。ガンマ線など。このプロセスはペア生成と呼ばれ、光を物質に変えることができます。
「新しいシミュレーションの結果は、古いシミュレーションのものと根本的に異なるわけではありません。シミュレーションは、ある意味、心強いです」研究に関与しなかったコロンビア大学の理論天体物理学センターの研究者であるロバート・ペンナ、Physical Review Letters誌の関連する「Viewpoints」の記事に書いています。
「しかし、パフリーらは、いくつかの興味深い斬新な行動を明らかにした」とペンナ氏は語った。 「たとえば、ブラックホールから遠く離れた観測者が測定したところ、相対論的エネルギーが負である多数の粒子が見つかりました。これらの粒子がブラックホールに落ちると、ブラックホールの総エネルギーが減少します。」
しかし、驚きが1つありました。パフリー氏のシミュレーションによると、ブラックホールに流れ込むこれらの負のエネルギー粒子の数が非常に多いため、「ホールに落ちることによって抽出されるエネルギーは、磁場の巻き線によって抽出されるエネルギーに匹敵する」とPenna氏は語った。 「この予測を確認するにはフォローアップ作業が必要ですが、負のエネルギー粒子の影響が主張されているほど強い場合、ブラックホールジェットからの放射スペクトルに対する期待が変わる可能性があります。」
パフリーと彼のチームは、ブラックホールの最初の写真を撮ることを目的とする新しいイベントホライズン望遠鏡などの観測所からの観測証拠とシミュレーションを比較することにより、モデルをさらに改善することを計画しています。 LBNLの当局者は、「彼らはまた、シミュレーションの範囲を広げて、ブラックホールの事象の地平線の周りに降り注ぐ物質の流れを含めることを計画している」と語った。
「問題全体のより一貫した全体像を提供したいと考えている」とパフリー氏は語った。
この研究は水曜日（1月23日）にPhysical Review Lettersで発表されました。
