超级计算机模拟：解开粒子从黑洞中逃脱之谜

黑洞在吞噬周围物质的同时，还会喷吐出炽热的、由电子和正电子构成的强大等离子喷流。而就在这些“幸运儿”抵达事件视界的一瞬间，它们会开始加速运行，达到接近光速的程度，最终像炮弹一般冲出事件视界，沿着黑洞自转轴旋转着向外飞去。

这些强大的粒子流被称作“相对论喷流”，我们可以用望远镜观察到它们发出的光线。虽然天文学家早在几十年前就观察到了这些喷流，但无人清楚这些粒子的能量究竟从何而来。但一项由美国加州劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL）开展的新研究为这一过程提供了一些新线索。

“黑洞旋转过程中的能量是如何被提取出来、形成喷流的？”在该实验室担任博士后研究员期间领导黑洞模拟过程的凯尔·帕弗雷（Kyle Parfrey）指出，“这是一个存在已久的问题。”帕弗雷如今是NASA戈达德太空飞行中心的一名高级研究员。

为回答这一问题，帕弗雷及其团队开展了一系列超级计算机模拟，“结合数十年来的理论，为等离子流从黑洞的强大引力场中窃取能量、并远远逃离黑洞血盆大口的驱动机制提供新线索”。换句话说，他们是想研究黑洞的极大引力如何能赋予粒子如此多的能量、使其能够从黑洞中发射出去。

计算机模拟结果首次将两条侧重点不同的理论统一在了一起：一条解释了黑洞周围的电流如何通过扭曲磁场形成喷流，另一条则解释了通过‘有去无回’的事件边界的粒子在远处的观察者眼中如何带有负能量、从而降低整个黑洞的旋转动能。”该实验室解释道，“这就像所谓的‘负卡路里’零食一样。黑洞吞噬这些‘负能量’粒子之后，质量其实会不增反减。”

帕弗雷表示，他将两套理论结合在一起，是试图将普通等离子体物理学与爱因斯坦广义相对论相融合。计算机模拟不仅要解决粒子的加速问题、以及相对论喷流的光线从何而来的问题，还需要解释其中的正电子和电子究竟是如何被创造出来的。答案是通过高能光子撞击，如伽马射线等。这一过程名叫“对产生”（pair production），能够将光转化为物质。

“此次新模拟结果与之前的模拟并没有太大区别，从某种意义上来说，这令人放心了一些。”哥伦比亚大学理论天体物理学中心的研究科学家罗伯特·潘纳（Robert Penna）表示。“但帕弗雷等人也做出了一些有意思的新发现。例如，他们发现了大量从远离黑洞的观察者看来、相对论能量为负的粒子。这些粒子落入黑洞后，黑洞的总能量就会有所减少。”

不过他们的发现有一点令人意外之处。帕弗雷所做模拟显示，流入黑洞的负能量粒子非常多，“以致于它们通过落入黑洞获取的能量足以与磁场扭曲获取的能量相当”。潘纳指出，“这一点还需要开展进一步工作才能证实。但假如负能量粒子的影响真如模拟所示这般强大，我们对黑洞喷流辐射频谱的预期也将因此改变。”

帕弗雷和他的团队计划将此次模拟结果与新视野号望远镜等设备的观测结果进行比较，从而进一步改进自己的模型。他们还计划扩宽模拟范围，将事件视界周围落入黑洞的物质的流动情况也纳入其中。“我们希望能对整个问题给出更持续统一的描述。”