Visualisasi dari simulasi superkomputer menunjukkan bagaimana positron berperilaku di dekat horizon peristiwa dari lubang hitam yang berputar.
(Gambar: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
Tarikan gravitasi dari lubang hitam begitu kuat sehingga tidak ada, bahkan cahaya, dapat lolos begitu terlalu dekat. Namun, ada satu cara untuk keluar dari lubang hitam - tetapi hanya jika Anda adalah partikel subatomik.
Ketika lubang hitam melahap materi di sekitarnya, mereka juga memuntahkan jet kuat plasma panas yang mengandung elektron dan positron, setara antimateri elektron. Tepat sebelum partikel-partikel yang beruntung itu mencapai cakrawala peristiwa, atau titik tidak bisa kembali, mereka mulai berakselerasi. Bergerak mendekati kecepatan cahaya, partikel-partikel ini memantul dari cakrawala peristiwa dan terlempar ke luar di sepanjang sumbu rotasi lubang hitam.
Dikenal sebagai jet relativistik, aliran partikel yang sangat besar dan kuat ini memancarkan cahaya yang bisa kita lihat dengan teleskop. Meskipun para astronom telah mengamati jet selama beberapa dekade, tidak ada yang tahu persis bagaimana partikel yang melarikan diri mendapatkan semua energi itu. Dalam sebuah studi baru, para peneliti dengan Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) di California memberi penjelasan baru tentang proses tersebut. [Lubang Hitam Teraneh di Semesta]
"Bagaimana energi dalam rotasi lubang hitam bisa diekstraksi untuk membuat jet?" Kyle Parfrey, yang memimpin simulasi lubang hitam selama waktunya sebagai rekan pascadoktoral di Berkeley Lab, mengatakan dalam sebuah pernyataan. "Ini sudah lama menjadi pertanyaan." Parfrey sekarang menjadi rekan senior di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Maryland.
Untuk mencoba menjawab pertanyaan itu, Parfrey dan timnya merancang serangkaian simulasi superkomputer yang "menggabungkan teori-teori lama untuk memberikan wawasan baru tentang mekanisme mengemudi dalam jet plasma yang memungkinkan mereka untuk mencuri energi dari medan gravitasi yang kuat di lubang hitam dan mendorongnya jauh dari mulut menganga, "kata pejabat LBNL dalam pernyataan itu. Dengan kata lain, mereka menyelidiki bagaimana gaya gravitasi ekstrim black hole dapat memberi begitu banyak energi pada partikel sehingga mereka mulai memancar.
"Simulasi, untuk pertama kalinya, menyatukan teori yang menjelaskan bagaimana arus listrik di sekitar lubang hitam memutar medan magnet ke dalam membentuk jet, dengan teori terpisah yang menjelaskan bagaimana partikel melintasi titik lubang hitam tidak dapat kembali - cakrawala peristiwa - dapat tampak bagi pengamat yang jauh untuk membawa energi negatif dan menurunkan energi rotasi keseluruhan lubang hitam, "kata pejabat LBNL. "Ini seperti makan camilan yang menyebabkan Anda kehilangan kalori daripada mendapatkannya. Lubang hitam sebenarnya kehilangan massa sebagai hasil dari menghirup partikel 'energi negatif' ini."
Parfrey mengatakan dia menggabungkan dua teori dalam upaya untuk memadukan fisika plasma biasa dengan teori relativitas umum Einstein. Simulasi harus mengatasi tidak hanya percepatan partikel dan cahaya yang datang dari jet relativistik, tetapi juga perlu menjelaskan cara bagaimana positron dan elektron diciptakan di tempat pertama: melalui tabrakan foton energi tinggi, seperti sinar gamma. Proses ini, yang disebut produksi berpasangan, dapat mengubah cahaya menjadi materi.
"Hasil simulasi baru tidak secara radikal berbeda dari yang ... simulasi lama, yang, dalam beberapa hal, meyakinkan," Robert Penna, seorang ilmuwan penelitian dengan Pusat Astrofisika Astrofisika Teoritis Universitas Columbia yang tidak terlibat dalam penelitian ini. , menulis dalam artikel terkait "Viewpoints" di jurnal Physical Review Letters.
"Namun, Parfrey et al. Mengungkap beberapa perilaku yang menarik dan baru," kata Penna. "Sebagai contoh, mereka menemukan populasi besar partikel yang energi relativistiknya negatif, sebagaimana diukur oleh pengamat yang jauh dari lubang hitam. Ketika partikel-partikel ini jatuh ke dalam lubang hitam, total energi lubang hitam berkurang."
Tapi ada satu kejutan. Simulasi Parfrey menunjukkan bahwa ada begitu banyak partikel energi negatif yang mengalir ke dalam lubang hitam "sehingga energi yang mereka ekstrak dengan jatuh ke dalam lubang sebanding dengan energi yang diekstrak oleh belitan medan magnet," kata Penna. "Pekerjaan lanjutan diperlukan untuk mengkonfirmasi prediksi ini, tetapi jika efek partikel energi negatif sekuat yang diklaim, itu bisa mengubah ekspektasi untuk spektrum radiasi dari jet lubang hitam."
Parfrey dan timnya berencana untuk lebih meningkatkan model mereka dengan membandingkan simulasi dengan bukti pengamatan dari observatorium seperti Event Horizon Telescope baru, yang bertujuan untuk mengambil foto pertama dari lubang hitam. "Mereka juga berencana untuk memperluas cakupan simulasi untuk memasukkan aliran materi infalling di sekitar horizon peristiwa lubang hitam, yang dikenal sebagai aliran pertambahannya," kata pejabat LBNL.
"Kami berharap dapat memberikan gambaran yang lebih konsisten dari seluruh masalah," kata Parfrey.
Studi ini dipublikasikan pada Rabu (23 Januari) di Physical Review Letters.
