Фізики вперше відтворили джети чорної діри в лабораторії

Фізики з двох наукових лабораторій провели експерименти, що допомагають зрозуміти процеси формування релятивістських струменів (джетів) — плазмових потоків, які можуть сягати швидкостей, близьких до світлової, і виникають біля чорних дір та нейтронних зірок.

Джети — одні з найзагадковіших явищ у Всесвіті, адже вони є продуктом надмасивних енергетичних процесів, проте фізика їх виникнення залишається маловивченою. Відомо, що ці струмені формуються перпендикулярно до площини акреційних дисків, які утворюються навколо компактних масивних об’єктів. Однак точні механізми, які призводять до таких потужних викидів плазми, поки що не мають повного наукового пояснення.

Однією з найпоширеніших теорій є модель Пенроуза, що пояснює виникнення джетів взаємодією акреційного диска з енергією обертання чорної діри. Альтернативна модель Бленфорда — Знаєка передбачає, що магнітні поля довкола компактних об’єктів взаємодіють з акреційною плазмою, прискорюючи заряджені частинки і створюючи джети.

Нещодавні експерименти дали нове розуміння цього процесу. У Принстонській лабораторії фізики плазми (PPPL) дослідники вивчали високоенергетичну плазму, використовуючи методику протонної радіографії. Це дозволило вперше спостерігати магнітні нестійкості Релея-Тейлора — явище, яке теоретично передбачало існування таких структур у плазмі, але експериментально підтвердити його не вдавалося.

Дослідники створили експериментальні умови, що імітують формування джетів: плазму нагрівали лазерними імпульсами, що діяли в присутності квазістатичного магнітного поля. В результаті вдалося зафіксувати процеси, які можуть бути аналогічними до тих, що спостерігаються в реальних джетах, зокрема, прискорення і викид плазми.

Тим часом у ЦЕРН колаборація Fireball досягла іншого значного результату — вперше було отримано електрон-позитронну плазму. Така плазма виникає в екстремальних умовах, які характерні для акреційних дисків навколо чорних дір. Вона має унікальні властивості, відмінні від традиційної іон-електронної плазми, і її детальне вивчення може значно покращити розуміння процесів формування джетів.

Ці експерименти відкривають нові можливості для вивчення релятивістських струменів і дають змогу перевіряти теорії, які пояснюють походження найенергетичніших явищ у Всесвіті.