Ученые создали искусственные струи черных дыр

Эксперимент с использованием пучков протонов для исследования взаимодействия плазмы и магнитных полей, возможно, только что раскрыл тайну того, как квазары и другие активные сверхмассивные черные дыры высвобождают свои релятивистские джеты.

Представим себе сцену возле сердца квазара. Сверхмассивная черная дыра, возможно, в сотни миллионов или даже миллиарды раз превышающая массу нашего Солнца, хищно пожирает материю, которая устремляется в ее пасть из спирального сверхгорячего диска. Эта заряженная материя называется плазмой, и она гравитационно втягивается в окрестности черной дыры. Однако не вся плазма, состоящая из ионизированных, или электрифицированных, атомов, лишенных электронов, поглощается черной дырой. Черная дыра откусывает больше, чем может прожевать, и часть плазмы выплескивается в виде струй, которые коллимируются мощным магнитным полем черной дыры, прежде чем плазма приблизится к горизонту событий, который, по сути, является точкой невозврата.

Эти струи могут простираться на тысячи световых лет в космос. Однако объяснение физики, происходящей в основании струй, где они формируются, до сих пор не удалось найти ученым.

Ответ на этот вопрос, возможно, дали исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) в Нью-Джерси, которые смогли разработать модификацию метода измерения плазмы, называемого протонной радиографией.

В своем эксперименте исследователи сначала создали плазму с высокой плотностью энергии, запустив импульсный лазерный луч мощностью 20 джоулей в пластиковую мишень. Затем они использовали мощные лазеры для инициирования ядерного синтеза в топливной капсуле, заполненной дейтерием и гелием-3. Реакции синтеза высвободили всплески протонов и рентгеновского излучения.

Затем эти протоны и рентгеновские лучи проходят через никелевую сетку с крошечными отверстиями. Представьте, что сетка похожа на дуршлаг для процеживания макарон; она разделяет протоны на множество дискретных пучков, которые затем позволяют измерить, как расширяющийся плазменный шлейф взаимодействует с фоновым магнитным полем. Поскольку протоны заряжены, они будут следовать за силовыми линиями магнитного поля, когда их будет отталкивать плазма. Рентгеновский всплеск служит проверкой — поскольку рентгеновские лучи проходят через сетку и магнитное поле, они дают неискаженное изображение плазмы для сравнения с измерениями протонного пучка.

«Наш эксперимент уникален тем, что мы могли непосредственно наблюдать, как магнитное поле меняется с течением времени», — сказал в своем заявлении Уилл Фокс, главный исследователь эксперимента. «Мы могли непосредственно наблюдать, как поле выталкивается и реагирует на плазму, перетягивая канат».

Они детально наблюдали, как магнитное поле выгибается наружу под давлением расширяющейся плазмы, а плазма бьется о линии магнитного поля. Это бурление и вспенивание плазмы известно как магнито-рейлеевская неустойчивость Тейлора, и оно создает в магнитном поле формы, похожие на вихри и «грибы». Очень важно, что по мере уменьшения энергии плазмы линии магнитного поля смогли вернуться обратно. Это сжало плазму в прямую, узкую колонну, не похожую на релятивистскую струю квазара.

«Когда мы провели эксперимент и проанализировали данные, то обнаружили, что у нас есть нечто грандиозное», — говорит София Малко из PPPL. «Наблюдение магнито-рейлеевских неустойчивостей Тейлора, возникающих при взаимодействии плазмы и магнитных полей, давно предполагалось, но до сих пор не наблюдалось напрямую. Это наблюдение помогает подтвердить, что такая неустойчивость возникает, когда расширяющаяся плазма встречается с магнитными полями».

Этот эксперимент убедительно свидетельствует о том, что джеты квазаров могут благодарить за свое создание подобную реакцию магнитных полей на расширяющуюся плазму. Если полученные результаты являются снимком того, что происходит вокруг активных черных дыр, то это означает, что в аккреционном диске черной дыры условия становятся настолько интенсивными, что плазма в диске может столкнуться с плотно упакованными линиями магнитного поля, которые затем могут отскочить назад и столкнуть плазму в узкий столб, почти отбрасывая ее от черной дыры. Если это правда, то это может быть огромным недостающим фрагментом в нашем представлении о том, как работают активные черные дыры.

«Теперь, когда мы очень точно измерили эти неустойчивости, у нас есть информация, необходимая для улучшения наших моделей и потенциального моделирования и понимания астрофизических струй в большей степени, чем раньше», — говорит Малко. «Интересно, что люди могут создать в лаборатории то, что обычно существует в космосе».

Результаты исследования были опубликованы 27 июня в журнале Physical Review Research.