Visualisasi dari simulasi komputer super menunjukkan bagaimana positron berkelakuan berhampiran cakrawala peristiwa lubang hitam berputar.
(Imej: © Kyle Parfrey et al./ Makmal Birele)
Tarik graviti lubang hitam begitu kuat sehingga tidak ada, bahkan cahaya, yang dapat melarikan diri apabila ia terlalu dekat. Walau bagaimanapun, ada satu cara untuk melepaskan diri dari lubang hitam - tetapi hanya jika anda adalah zarah subatom.
Ketika lubang hitam menumpahkan masalah di sekitarnya, mereka juga mengeluarkan jet plasma panas yang mengandungi elektron dan positron, setara antimateri elektron. Tepat sebelum zarah-zarah masuk yang beruntung itu sampai ke cakerawala acara, atau titik tidak akan kembali, mereka mula memecut. Bergerak mendekati kelajuan cahaya, zarah-zarah ini bergerak keluar dari cakrawala peristiwa dan dilemparkan ke luar sepanjang paksi putaran lubang hitam.
Dikenal sebagai jet relativistik, aliran zarah yang sangat besar dan kuat ini memancarkan cahaya yang dapat kita lihat dengan teleskop. Walaupun ahli astronomi telah memerhatikan jet selama beberapa dekad, tidak ada yang tahu dengan tepat bagaimana zarah-zarah yang melarikan diri memperoleh semua tenaga itu. Dalam kajian baru, penyelidik dengan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (LBNL) di California memberi penerangan baru mengenai proses tersebut. [Lubang Hitam Paling Aneh di Alam Semesta]
"Bagaimana tenaga dalam putaran lubang hitam dapat diekstraksi untuk membuat jet?" Kyle Parfrey, yang mengetuai simulasi lubang hitam pada masa sebagai rakan pasca doktoral di Berkeley Lab, mengatakan dalam satu kenyataan. "Ini sudah lama menjadi persoalan." Parfrey kini merupakan rakan kanan di Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA di Maryland.
Untuk cuba menjawab soalan itu, Parfrey dan pasukannya merancang satu set simulasi komputer super yang "menggabungkan teori berusia puluhan tahun untuk memberikan pandangan baru mengenai mekanisme pemanduan dalam jet plasma yang membolehkan mereka mencuri tenaga dari medan graviti yang kuat dari lubang hitam dan mendorongnya jauh dari mulut mereka yang ternganga, "kata pegawai LBNL dalam kenyataan itu. Dengan kata lain, mereka menyiasat bagaimana daya graviti ekstrim lubang hitam dapat memberikan zarah begitu banyak tenaga sehingga mereka mula memancar.
"Simulasi, buat pertama kalinya, menyatukan teori yang menerangkan bagaimana arus elektrik di sekitar lubang hitam memutar medan magnet ke dalam membentuk jet, dengan teori yang terpisah yang menjelaskan bagaimana zarah-zarah melintasi titik tidak kembali lubang hitam - cakerawala peristiwa - dapat nampaknya pemerhati jauh membawa tenaga negatif dan menurunkan keseluruhan tenaga putaran lubang hitam, "kata pegawai LBNL. "Rasanya seperti makan makanan ringan yang menyebabkan anda kehilangan kalori daripada memperolehnya. Lubang hitam sebenarnya kehilangan jisim akibat daripada mengendurkan zarah 'tenaga negatif' ini."
Parfrey mengatakan bahawa ia menggabungkan kedua teori tersebut dalam usaha menggabungkan fisika plasma biasa dengan teori relativiti umum Einstein. Simulasi tersebut tidak hanya membahas pecutan zarah dan cahaya yang berasal dari jet relativistik, tetapi juga perlu memperhitungkan bagaimana positron dan elektron dibuat pertama: melalui perlanggaran foton bertenaga tinggi, seperti sinar gamma. Proses ini, yang disebut produksi pasangan, dapat mengubah cahaya menjadi jirim.
"Hasil simulasi baru tidak berbeza secara radikal dengan simulasi lama ... simulasi, yang, dalam arti tertentu, meyakinkan," Robert Penna, seorang saintis penyelidikan dengan Pusat Astrofizik Teoretikal Columbia University yang tidak terlibat dalam kajian ini , menulis dalam artikel "Viewpoints" terkait dalam jurnal Physical Review Letters.
"Namun, Parfrey et al. Membongkar beberapa tingkah laku yang menarik dan baru," kata Penna. "Sebagai contoh, mereka mendapati sebilangan besar zarah yang tenaga relativistiknya negatif, seperti yang diukur oleh pemerhati yang jauh dari lubang hitam. Apabila zarah-zarah ini jatuh ke dalam lubang hitam, jumlah tenaga lubang hitam berkurang."
Walaupun begitu, ada satu kejutan. Simulasi Parfrey menunjukkan bahawa terdapat begitu banyak zarah-zarah tenaga negatif yang mengalir ke dalam lubang hitam "bahawa tenaga yang mereka keluarkan dengan jatuh ke dalam lubang itu setanding dengan tenaga yang dikeluarkan oleh penggulungan medan magnet," kata Penna. "Kerja tindak lanjut diperlukan untuk mengesahkan ramalan ini, tetapi jika pengaruh zarah-zarah tenaga negatif sekuat yang dituntut, ia dapat mengubah jangkaan spektrum radiasi dari jet lubang hitam."
Parfrey dan pasukannya merancang untuk meningkatkan lagi model mereka dengan membandingkan simulasi dengan bukti pemerhatian dari observatorium seperti Teleskop Event Horizon baru, yang bertujuan untuk menangkap gambar pertama lubang hitam. "Mereka juga berencana untuk memperluas ruang lingkup simulasi untuk memasukkan aliran materi penyebaran di sekitar cakrawala peristiwa lubang hitam, yang dikenal sebagai aliran penambahannya," kata pegawai LBNL.
"Kami berharap dapat memberikan gambaran yang lebih konsisten mengenai keseluruhan masalah," kata Parfrey.
Kajian itu diterbitkan pada hari Rabu (23 Januari) dalam Surat Kajian Fizikal.
