يظهر تصور من محاكاة الكمبيوتر العملاق كيف تتصرف البوزيترونات بالقرب من أفق الحدث لثقب أسود دوار.
(الصورة: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
إن قوة الجاذبية للثقب الأسود قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، أن يهرب بمجرد اقترابه جدًا. ومع ذلك ، هناك طريقة واحدة للهروب من الثقب الأسود - ولكن فقط إذا كنت جسيمًا دون ذري.
عندما تلتهم الثقوب السوداء المادة في محيطها ، فإنها تبصق أيضًا نفاثات قوية من البلازما الساخنة التي تحتوي على الإلكترونات والبوزيترونات ، وهو مكافئ المادة المضادة للإلكترونات. قبل أن تصل تلك الجزيئات الواردة المحظوظة إلى أفق الحدث ، أو نقطة اللاعودة ، تبدأ في التسارع. تتحرك على مقربة من سرعة الضوء ، هذه الجسيمات ترتد من أفق الحدث وتندفع للخارج على طول محور دوران الثقب الأسود.
تُعرف هذه التيارات الضخمة والقوية من الجسيمات ، والتي تُعرف باسم الطائرات النسبية ، بإصدار ضوء يمكننا رؤيته بالتلسكوبات. على الرغم من أن الفلكيين لاحظوا الطائرات منذ عقود ، لا أحد يعرف بالضبط كيف تحصل الجزيئات الهاربة على كل هذه الطاقة. في دراسة جديدة ، ألقى باحثون من مختبر لورنس بيركلي الوطني (LBNL) في كاليفورنيا ضوءًا جديدًا على العملية. [أغرب الثقوب السوداء في الكون]
"كيف يمكن استخراج الطاقة في دوران الثقب الأسود لصنع الطائرات؟" وقال كايل بارفري ، الذي قاد محاكاة الثقب الأسود خلال فترة عمله كزميل ما بعد الدكتوراه في مختبر بيركلي ، في بيان. "لقد كان هذا السؤال لفترة طويلة." بارفري الآن زميل أقدم في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في ولاية ماريلاند.
لمحاولة الإجابة على هذا السؤال ، ابتكر بارفري وفريقه مجموعة من محاكاة الحواسيب الفائقة التي "جمعت نظريات عمرها عقود لتقديم رؤية جديدة حول آليات القيادة في طائرات البلازما التي تسمح لهم بسرقة الطاقة من مجالات الجاذبية القوية للثقوب السوداء و وقال مسؤولو الـ (LBNL) في البيان: "لقد دفعوها بعيداً عن أفواههم". وبعبارة أخرى ، قاموا بالتحقيق في كيف يمكن لقوة الجاذبية الشديدة للثقب الأسود أن تعطي الجسيمات الكثير من الطاقة التي تبدأ في الإشعاع.
"توحد المحاكاة ، لأول مرة ، نظرية تشرح كيف تقوم التيارات الكهربائية حول الثقب الأسود بتحويل الحقول المغناطيسية إلى تشكيل نفاثات ، مع نظرية منفصلة تفسر كيف يمكن للجسيمات أن تعبر من خلال نقطة اللاعودة للثقب الأسود - أفق الحدث - وقال مسؤولو ال.بي.ان.بي. "يبدو أن مراقبًا بعيدًا يحمل طاقة سلبية ويخفض طاقة الدوران الإجمالية للثقب الأسود". "الأمر أشبه بتناول وجبة خفيفة تتسبب في فقدان السعرات الحرارية بدلاً من الحصول عليها. يفقد الثقب الأسود الكتلة في الواقع نتيجة للانزلاق في جزيئات" الطاقة السلبية هذه. "
قال بارفري إنه جمع بين النظريتين في محاولة لدمج فيزياء البلازما العادية مع نظرية النسبية العامة لأينشتاين. لم يكن على المحاكاة معالجة تسارع الجسيمات والضوء القادم من الطائرات النسبية فحسب ، بل احتاجت أيضًا إلى حساب الطريقة التي يتم بها إنشاء البوزيترونات والإلكترونات في المقام الأول: من خلال تصادم الفوتونات عالية الطاقة ، مثل أشعة جاما. يمكن لهذه العملية ، التي تسمى إنتاج الزوج ، تحويل الضوء إلى مادة.
روبرت بينا ، عالم أبحاث بمركز الفيزياء الفلكية النظرية بجامعة كولومبيا ، لم يشارك في الدراسة: "نتائج المحاكاة الجديدة لا تختلف جذريًا عن نتائج المحاكاة القديمة ، والتي هي إلى حد ما مطمئنة". كتب في مقالة ذات صلة بعنوان "وجهات نظر" في مجلة Physical Review Letters.
قال بينا "ومع ذلك ، كشف بارفري وآخرون عن بعض السلوكيات المثيرة للاهتمام والجديدة". "على سبيل المثال ، وجدوا مجموعة كبيرة من الجسيمات التي تكون طاقاتها النسبية سلبية ، كما تم قياسها بواسطة مراقب بعيد عن الثقب الأسود. عندما تسقط هذه الجسيمات في الثقب الأسود ، تنخفض الطاقة الإجمالية للثقب الأسود."
لكن كانت هناك مفاجأة واحدة. وقال بينا إن محاكاة بارفيري تظهر أن هناك الكثير من جزيئات الطاقة السلبية التي تتدفق إلى الثقب الأسود "بحيث أن الطاقة التي تستخرجها عن طريق السقوط في الحفرة يمكن مقارنتها بالطاقة المستخرجة بواسطة لف المجال المغناطيسي". "هناك حاجة إلى أعمال متابعة لتأكيد هذا التنبؤ ، ولكن إذا كان تأثير جزيئات الطاقة السلبية قويًا كما يدعي ، فقد يغير من توقعات أطياف الإشعاع من طائرات الثقب الأسود."
يخطط بارفري وفريقه لزيادة تحسين نماذجهم من خلال مقارنة المحاكاة بأدلة الرصد من المراصد مثل تلسكوب Event Horizon الجديد ، الذي يهدف إلى التقاط الصور الأولى لثقب أسود. وقال مسؤولو LBNL: "إنهم يخططون أيضًا لتوسيع نطاق المحاكاة ليشمل تدفق المواد المسببة للقلق حول أفق حدث الثقب الأسود ، والمعروف باسم تدفق التزايد".
وقال بارفري "نأمل في تقديم صورة أكثر اتساقا للمشكلة برمتها".
نُشرت الدراسة يوم الأربعاء (23 يناير) في رسائل المراجعة الفيزيائية.
