Протонная радиография раскрывает механизм формирования релятивистских джетов у черных дыр

Прорыв в понимании космических струй

Новаторский эксперимент, основанный на методе протонной радиографии, возможно, позволил ученым приблизиться к разгадке одного из самых впечатляющих явлений во Вселенной — механизма формирования мощных релятивистских струй (джетов), которые испускают квазары и активные сверхмассивные черные дыры.

Космическая кухня: рождение джетов

Чтобы понять суть открытия, представим окрестности активной черной дыры. Гравитационный монстр, чья масса в миллионы или миллиарды раз превышает солнечную, поглощает вещество из окружающего его раскаленного аккреционного диска. Этот диск состоит из плазмы — ионизированного газа, где атомы лишены электронов. Однако не вся материя достигает точки невозврата (горизонта событий). Часть плазмы, взаимодействуя с колоссальными магнитными полями черной дыры, формирует узконаправленные струи, выстреливающие в космос на расстояния в тысячи световых лет. Долгое время физические процессы у основания этих джетов оставались загадкой для астрофизиков.

Лабораторный аналог космического процесса

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) разработали передовой метод протонной радиографии, чтобы смоделировать и изучить эти экстремальные условия в лаборатории. Эксперимент состоял из нескольких этапов:

• Сначала с помощью мощного лазерного импульса была создана высокоэнергетическая плазма.
• Затем другие лазеры инициировали реакции термоядерного синтеза в специальной камере с топливом (дейтерий и гелий-3), что привело к выбросу протонов и рентгеновского излучения.
• Эти протоны, проходя через никелевую сетку (аналогичную ситу), разделялись на множество тонких пучков.

Ключевая идея заключалась в том, чтобы проследить, как эти заряженные протонные пучки, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля, взаимодействуют с расширяющимся плазменным шлейфом. Рентгеновские лучи использовались как контрольный эталон для получения «чистых» изображений плазмы, что позволило точно оценить искажения, вносимые магнитным полем.

Обратите внимание: Учёные разработали революционную технологию для исследования египетских мумий.

Наблюдение магнитной «битвы»

«Уникальность нашего эксперимента в том, что мы впервые смогли напрямую наблюдать, как магнитное поле изменяется во времени, — пояснил руководитель исследования Уилл Фокс. — Мы увидели, как электрическое поле выталкивается и вступает во взаимодействие с плазмой, запуская процесс, напоминающий перетягивание каната».

Ученые детально зафиксировали, как расширяющаяся плазма изгибает и отталкивает силовые линии магнитного поля, а поле, в свою очередь, сопротивляется этому давлению. Это взаимодействие порождает так называемую магнитную неустойчивость Рэлея-Тейлора, которая создает характерные вихревые и грибовидные структуры. Важнейшим открытием стало наблюдение того, что по мере рассеивания энергии плазмы силовые линии магнитного поля способны «отскакивать» назад, сжимая плазму в узкий, прямой цилиндр. Этот процесс удивительно похож на формирование релятивистской струи у черной дыры, только в миниатюре.

От лаборатории к квазарам

«Проведя эксперимент и проанализировав данные, мы сделали несколько ключевых открытий, — отметила София Малко из PPPL. — Магнитная неустойчивость Рэлея-Тейлора, возникающая при взаимодействии плазмы и магнитных полей, долгое время была теоретическим предположением. Теперь мы наблюдали ее непосредственно. Это подтверждает, что именно такое столкновение расширяющейся плазмы с магнитным полем запускает данную неустойчивость».

Полученные результаты убедительно свидетельствуют: релятивистские струи квазаров могут рождаться в результате аналогичного процесса. В экстремальных условиях аккреционного диска черной дыры плазма, сталкиваясь с плотным клубком магнитных полей, вызывает описанную неустойчивость. В результате магнитное поле, «отпружинивая», сжимает и фокусирует плазму в невероятно узкий и мощный луч, который и выбрасывается в космическое пространство. Если эта гипотеза верна, она заполняет огромный пробел в нашем понимании физики активных галактических ядер.

«Теперь, имея точные измерения этих нестабильностей, мы можем существенно улучшить наши теоретические модели и симуляции, — подчеркнул один из авторов работы. — Это позволяет нам лучше понять астрофизические струи, воссоздавая в лаборатории условия, которые обычно существуют только в глубинах космоса».

Результаты этого groundbreaking исследования были опубликованы 27 июня в журнале Physical Review Letters.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: 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.