Svarta hål är kända för sina glupska aptit, binging på materia med sådan grymhet att inte ens ljus kan slippa när det har svalts upp.

Mindre förstått, fastän, är hur svarta hål rensar energi låst i deras rotation, sprider nästan ljushastighetsplasmar ut i rymden till motsatta sidor i en av de mest kraftfulla skärmarna i universum. Dessa strålar kan sträcka sig utåt i miljontals ljusår.

Nya simuleringar som leds av forskare som arbetar vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har kombinerat decennier gamla teorier för att ge ny insikt om drivmekanismerna i plasmastrålarna som gör att de kan stjäla energi från svarta hål ' kraftfulla gravitationsfält och driver den långt från deras gapande munnar.

Simuleringarna kan ge en användbar jämförelse för högupplösta observationer från Event Horizon Telescope, en matris som är utformad för att ge de första direktbilderna av de regioner där plasmastrålarna bildas.

Teleskopet möjliggör nya vyer av det svarta hålet i mitten av vår egen Vintergatans galax, samt detaljerade vyer av andra supermassiva svarta hål.

"Hur kan energin i ett svart håls rotation utvinnas för att göra jetstrålar?" sa Kyle Parfrey, som ledde arbetet med simuleringarna medan han var Einstein Postdoctoral Fellow ansluten till Nuclear Science Division vid Berkeley Lab. "Detta har varit en fråga länge."

Nu en senior kollega vid NASA Goddard Space Flight Center i Maryland, Parfrey är huvudförfattare till en studie, publicerad 23 januari Fysiska granskningsbrev , som beskriver simuleringsforskningen.

Simuleringarna, för första gången, förena en teori som förklarar hur elektriska strömmar runt ett svart hål vrider magnetfält till formande strålar, med en separat teori som förklarar hur partiklar som passerar genom ett svart håls punkt för återvändo - händelsehorisonten - kan verka för en avlägsen observatör att bära in negativ energi och sänka det svarta hålets totala rotationsenergi.

Det är som att äta ett mellanmål som får dig att tappa kalorier snarare än att få dem. Det svarta hålet förlorar faktiskt massa till följd av slurping i dessa "negativa energipartiklar".

Datorsimuleringar har svårt att modellera all den komplexa fysik som är inblandad i plasma-jet lansering, som måste redogöra för skapandet av par av elektroner och positroner, accelerationsmekanismen för partiklar, och ljusets strålning.

Berkeley Lab har bidragit mycket till plasmasimuleringar under sin långa historia. Plasma är en gasliknande blandning av laddade partiklar som är universums vanligaste materiella tillstånd.

Parfrey sa att han insåg att mer komplexa simuleringar för att bättre beskriva strålarna skulle kräva en kombination av expertis inom plasmafysik och den allmänna relativitetsteorin.

"Jag trodde att det skulle vara en bra tid att försöka få ihop dessa två saker, " han sa.

Utförd på ett superdatorcenter vid NASA Ames Research Center i Mountain View, Kalifornien, simuleringarna innehåller nya numeriska tekniker som tillhandahåller den första modellen av en kollisionsfri plasma - där kollisioner mellan laddade partiklar inte spelar någon större roll - i närvaro av ett starkt gravitationsfält associerat med ett svart hål.

Simuleringarna ger naturligt effekter som kallas Blandford-Znajek-mekanismen, som beskriver de vridande magnetfälten som bildar strålar, och en separat Penrose-process som beskriver vad som händer när negativa energipartiklar slukas ner av det svarta hålet.

Penrose -processen, "även om det inte nödvändigtvis bidrar så mycket till att utvinna det svarta hålets rotationsenergi, "Sa Parfrey, "är möjligen direkt kopplad till de elektriska strömmarna som vrider jetens magnetfält."

Även om de är mer detaljerade än vissa tidigare modeller, Parfrey noterade att hans lags simuleringar fortfarande håller på att komma ikapp med observationer, och är idealiserade på vissa sätt för att förenkla de beräkningar som behövs för att utföra simuleringarna.

Teamet har för avsikt att bättre modellera processen genom vilken elektron-positronpar skapas i strålarna för att studera strålarnas plasmafördelning och deras strålningsemission mer realistiskt för jämförelse med observationer. De planerar också att vidga omfattningen av simuleringarna till att inkludera flödet av infallande materia runt det svarta hålets händelsehorisont, känt som dess ackretionsflöde.

"Vi hoppas kunna ge en mer konsekvent bild av hela problemet, " han sa.