Zwarte gaten staan ​​bekend om hun vraatzuchtige eetlust, met zo'n felheid aan materie vastklampend dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen als het eenmaal is opgeslokt.

Minder begrepen, Hoewel, is hoe zwarte gaten energie zuiveren die opgesloten zit in hun rotatie, bijna-lichtsnelheid plasma's de ruimte in spuiten naar tegenoverliggende zijden in een van de krachtigste displays in het universum. Deze jets kunnen zich miljoenen lichtjaren naar buiten uitstrekken.

Nieuwe simulaties onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy en UC Berkeley hebben decennia-oude theorieën gecombineerd om nieuw inzicht te verschaffen in de aandrijfmechanismen in de plasmajets waarmee ze energie uit zwarte gaten kunnen stelen. krachtige zwaartekrachtvelden en stuw het ver van hun gapende monden.

De simulaties kunnen een nuttige vergelijking opleveren voor waarnemingen met hoge resolutie van de Event Horizon Telescope, een array die is ontworpen om de eerste directe beelden te leveren van de regio's waar de plasmastralen worden gevormd.

De telescoop zal nieuwe beelden van het zwarte gat in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel mogelijk maken, evenals gedetailleerde weergaven van andere superzware zwarte gaten.

"Hoe kan de energie in de rotatie van een zwart gat worden geëxtraheerd om jets te maken?" zei Kyle Parfrey, die het werk aan de simulaties leidde terwijl hij een Einstein Postdoctoral Fellow was, verbonden aan de Nuclear Science Division van Berkeley Lab. "Dit is al lang een vraag."

Nu een senior fellow bij NASA Goddard Space Flight Center in Maryland, Parfrey is de hoofdauteur van een studie, gepubliceerd op 23 januari in Fysieke beoordelingsbrieven , dat details van het simulatieonderzoek.

De simulaties, Voor de eerste keer, verenigen een theorie die verklaart hoe elektrische stromen rond een zwart gat magnetische velden verdraaien tot het vormen van jets, met een afzonderlijke theorie die uitlegt hoe deeltjes die door het point of no return van een zwart gat gaan - de gebeurtenishorizon - voor een verre waarnemer kunnen lijken om negatieve energie in te voeren en de totale rotatie-energie van het zwarte gat te verlagen.

Het is net als het eten van een tussendoortje waardoor je calorieën verliest in plaats van ze binnen te krijgen. Het zwarte gat verliest eigenlijk massa als gevolg van het slurpen in deze "negatieve-energie" deeltjes.

Computersimulaties hebben moeite met het modelleren van alle complexe fysica die betrokken is bij het lanceren van plasmastralen, die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van elektronen- en positronenparen, het versnellingsmechanisme voor deeltjes, en de emissie van licht in de jets.

Berkeley Lab heeft gedurende zijn lange geschiedenis uitgebreid bijgedragen aan plasmasimulaties. Plasma is een gasachtig mengsel van geladen deeltjes dat de meest voorkomende toestand van materie in het universum is.

Parfrey zei dat hij zich realiseerde dat complexere simulaties om de jets beter te beschrijven een combinatie van expertise in plasmafysica en de algemene relativiteitstheorie vereisen.

"Ik dacht dat het een goed moment zou zijn om te proberen deze twee dingen samen te brengen, " hij zei.

Uitgevoerd in een supercomputercentrum bij NASA Ames Research Center in Mountain View, Californië, de simulaties bevatten nieuwe numerieke technieken die het eerste model opleveren van een botsingsloos plasma - waarin botsingen tussen geladen deeltjes geen grote rol spelen - in de aanwezigheid van een sterk zwaartekrachtveld geassocieerd met een zwart gat.

De simulaties produceren natuurlijk effecten die bekend staan ​​als het Blandford-Znajek-mechanisme, die de draaiende magnetische velden beschrijft die jets vormen, en een apart Penrose-proces dat beschrijft wat er gebeurt als negatieve-energiedeeltjes door het zwarte gat worden opgeslokt.

Het Penrose-proces, "hoewel het niet per se zoveel bijdraagt ​​aan het extraheren van de rotatie-energie van het zwarte gat, "Parfrey zei, "is mogelijk direct gekoppeld aan de elektrische stromen die de magnetische velden van de jets verdraaien."

Hoewel gedetailleerder dan sommige eerdere modellen, Parfrey merkte op dat de simulaties van zijn team nog steeds een inhaalslag maken met observaties, en zijn in sommige opzichten geïdealiseerd om de berekeningen die nodig zijn om de simulaties uit te voeren, te vereenvoudigen.

Het team is van plan het proces waarmee elektron-positronparen in de jets worden gecreëerd beter te modelleren om de plasmadistributie van de jets en hun emissie van straling realistischer te bestuderen voor vergelijking met waarnemingen. Ze zijn ook van plan om de reikwijdte van de simulaties uit te breiden met de stroom van invallende materie rond de waarnemingshorizon van het zwarte gat, bekend als de accretiestroom.

"We hopen een meer consistent beeld te geven van het hele probleem, " hij zei.