Эксперимент с использованием протонных пучков для изучения взаимодействия плазмы и магнитных полей, возможно, только что разрешил загадку того, как квазары и другие активные сверхмассивные черные дыры испускают релятивистские струи.
Давайте представим себе сцену вблизи центра квазара. Сверхмассивная черная дыра, возможно, в сотни миллионов или даже миллиарды масс Солнца, жадно пожирает вещество, льющееся в ее пасть из перегретого спирального диска. Этот заряженный материал, называемый плазмой, гравитационно притягивается к окрестностям черной дыры. Однако не вся плазма, состоящая из ионизированных или заряженных атомов, лишенных электронов, поглощается черной дырой. Черные дыры съедают больше, чем могут прожевать, и часть плазмы выбрасывается в виде струй, которые коллимируются мощным магнитным полем черной дыры, прежде чем плазма приближается к горизонту событий, который, по сути, является точкой невозврата.
Эти джеты могут простираться на тысячи световых лет в космос. Однако ученые до сих пор не могут найти объяснение физическим явлениям, происходящим в основании, где формируются джеты.
Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) в Нью-Джерси могут дать ответ, разработав усовершенствованный метод измерения плазмы, называемый протонной радиографией.
В своем эксперименте исследователи сначала создали плазму высокой плотности энергии, обстреляв 20-джоульный импульсный лазерный луч по пластиковой мишени. Затем они использовали мощные лазеры, чтобы запустить ядерный синтез в топливном баке, наполненном дейтерием и гелием-3. Реакции синтеза выделяют протоны и рентгеновские лучи.
Эти протоны и рентгеновские лучи затем проходят через никелевую сетку с небольшими отверстиями. Представьте себе сетку как дуршлаг для спагетти: она разделяет протоны на множество отдельных пучков, а затем измеряет, как расширяющийся плазменный шлейф взаимодействует с фоновым магнитным полем.
Обратите внимание: Учёные разработали революционную технологию для исследования египетских мумий.
Поскольку протоны электрически заряжены, они движутся вдоль силовых линий магнитного поля, отталкиваясь от плазмы. Рентгеновские всплески служат тестом, и когда рентгеновские лучи проходят через затвор и магнитное поле, они обеспечивают неискаженные изображения плазмы для сравнения с измерениями протонного пучка.«Наш эксперимент уникален, потому что мы можем напрямую наблюдать, как магнитное поле меняется с течением времени», — заявил в своем заявлении Уилл Фокс, главный исследователь эксперимента. «Мы можем непосредственно наблюдать, как электрическое поле выталкивается и реагирует с плазмой, инициируя перетягивание каната».
Они подробно рассмотрели, как магнитное поле изгибается наружу под давлением расширяющейся плазмы и как плазма борется с силовыми линиями магнитного поля. Это бурление и взбалтывание плазмы называется магнитной нестабильностью Рэлея-Тейлора, и оно создает вихревые и грибообразные формы в магнитных полях. Очень важно, что по мере уменьшения энергии плазмы силовые линии магнитного поля могут возвращаться. Это сжимает плазму в прямой узкий цилиндр, в отличие от релятивистской струи квазара.
«Когда мы провели эксперименты и проанализировали данные, мы обнаружили, что сделали несколько важных открытий», — сказала София Малко из PPPL. «Наблюдение магнитной неустойчивости Рэлея-Тейлора, вызванной взаимодействием плазмы и магнитных полей, уже давно подозревалось, но непосредственно не наблюдалось. Это наблюдение помогает подтвердить, что когда расширяющаяся плазма сталкивается с магнитным полем, возникает эта неустойчивость».
Эксперимент убедительно свидетельствует о том, что квазарные струи могут образовываться в результате аналогичной реакции магнитных полей с расширяющейся плазмой. Если результатом является снимок того, что происходит вокруг активной черной дыры, это означает, что в аккреционном диске черной дыры условия становятся настолько напряженными, что плазма в диске может столкнуться с плотно расположенными силовыми линиями магнитного поля, которые затем могут отскочить назад столкнувшаяся плазма превратилась в узкий столб, едва не выбросив ее из черной дыры. Если это правда, это может стать огромным пробелом в нашем понимании того, как работают активные черные дыры.
«Теперь, когда мы очень точно измерили эти нестабильности, у нас есть информация, необходимая для улучшения наших моделей и, возможно, для моделирования и понимания астрофизических струй в большей степени, чем раньше», — сказал Марко лабораторные вещи, которые обычно существуют в космосе».
Результаты были опубликованы в номере журнала от 27 июня .
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
- Свинья в Гонконге недавно стала центром впечатляющего технологического прорыва: эндоскопия, проведенная удаленно исследователями из Высшей технической школы Цюриха и Китайского университета Гонконга
- Биогибридная робототехника, развивающаяся технология, объединяет биологические элементы с роботизированной электроникой