Эксперимент, использующий пучки протонов для изучения взаимодействия плазмы и магнитных полей, похоже, разгадал тайну того, как квазары и другие активные сверхмассивные чёрные дыры извергают свои релятивистские струи.
Представим себе сцену в центре квазара. Сверхмассивная чёрная дыра, возможно, в сотни миллионов, а может, и в миллиарды раз более массивная, чем наше Солнце, яростно поглощает материю, которая стремительно падает в её недра из спирального сверхгорячего диска. Эта заряженная материя называется плазмой, и она гравитационно притягивается к окрестностям чёрной дыры — однако не вся плазма, состоящая из ионизированных атомов, лишённых электронов, поглощается чёрной дырой. На самом деле чёрная дыра «кусает больше, чем может проглотить», и часть плазмы выбрасывается в виде струй, коллимированных мощным магнитным полем чёрной дыры, прежде чем эта плазма приблизится к горизонту событий, который, по сути, является точкой невозврата.
Эти струи могут тянуться на тысячи световых лет в космос. Однако объяснить физику, происходящую у основания струи, где она формируется, учёным до сих пор не удавалось.
Ответ, возможно, пришёл от исследователей из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) в Нью-Джерси, США, которые смогли разработать модификацию метода измерения плазмы, называемую протонной радиографией.
В своём эксперименте учёные сначала создали плазму с высокой энергетической плотностью, направив импульсный лазер мощностью 20 джоулей на пластиковую мишень. Затем они использовали мощные лазеры, чтобы инициировать ядерный синтез в топливной капсуле, заполненной дейтерием и гелием-3. Реакции синтеза приводили к выбросу протонов и рентгеновских лучей.
Затем эти протоны и рентгеновские лучи прошли через никелевую сетку с крошечными отверстиями. Эту сетку можно себе представить как сито для процеживания пасты; она разделяет протоны на множество отдельных пучков, которые затем можно использовать для измерения взаимодействия расширяющегося плазменного облака с фоновым магнитным полем. Поскольку протоны заряжены, они, столкнувшись с плазмой, будут следовать линиям магнитного поля. Рентгеновские всплески служат контрольным элементом — поскольку рентгеновские лучи проходят сквозь сетку и магнитное поле без искажений, они предоставляют недеформированное изображение плазмы, с которым можно сравнить измерения протонных пучков.
«Наш эксперимент был уникален тем, что мы могли непосредственно наблюдать то, как магнитное поле изменяется со временем, — сказал в своём заявлении Уилл Фокс (Will Fox), главный исследователь эксперимента. — Мы непосредственно могли увидеть, как в своеобразной борьбе поле выталкивается и реагирует на плазму.»
В процессе эксперимента они детально наблюдали, как магнитное поле под давлением расширяющейся плазмы изгибается наружу, при этом плазма колебалась по отношению к линиям магнитного поля. Это пузырение и пенение плазмы известно как магнито-Релея-Тейлорская нестабильность, и оно создавало в магнитном поле формы, похожие на вихри и грибы. Ключевым моментом было то, что по мере снижения энергии плазмы линии магнитного поля могли вернуться на место. Это сжимало плазму в прямую узкую колонну, похожую на релятивистскую струю квазара.
«Когда мы провели эксперимент и проанализировали данные, мы поняли, что у нас есть нечто значительное, — сказала София Малько (Sophia Malko) из PPPL. — Наблюдение магнито-Релея-Тейлорских нестабильностей, возникающих в результате взаимодействия плазмы и магнитных полей, долгое время считалось возможным, но до сих пор не было зафиксировано напрямую. Это наблюдение подтверждает, что такая нестабильность возникает, когда расширяющаяся плазма встречается с магнитными полями.»
Эксперимент убедительно указывает на то, что струи квазаров могут быть результатом подобной реакции магнитных полей на расширяющуюся плазму. Если результаты являются снимком того, что происходит вокруг активных чёрных дыр, это означает, что в аккреционном диске чёрной дыры условия становятся настолько интенсивными, что плазма в диске может выталкивать уплотнённые линии магнитного поля, которые затем возвращаются и выталкивают плазму в узкую колонну, почти выбрасывая её из чёрной дыры. Если это верно, это может быть огромным недостающим элементом в нашем понимании того, как именно функционируют активные чёрные дыры.
«Теперь, когда мы точно измерили эти нестабильности, у нас есть информация, необходимая для улучшения наших моделей и потенциального моделирования и понимания астрофизических струй на более высоком уровне, чем раньше, — сказала Малько. — Интересным является то, что люди в состоянии создать в лаборатории что-то, что обычно существует в космосе.»
Результаты исследования были опубликованы 27 июня в журнале Physical Review Research.
