Недавно ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) сделали значительный шаг вперед в понимании того, как квазары и другие активные сверхмассивные черные дыры высвобождают свои релятивистские джеты. В своем эксперименте исследователи использовали пучки протонов для моделирования взаимодействия плазмы и магнитных полей, что позволило разгадать многие загадки формирования этих струй.
Представим себе сцену в центре квазара. Сверхмассивная черная дыра, масса которой превышает массу Солнца в сотни миллионов или даже миллиарды раз, поглощает материю из аккреционного диска. В этот момент плазма – заряженные ионизированные частицы – гравитационно втягивается в окрестности черной дыры. Однако не вся плазма поглощается: часть ее выплескивается в виде струй, коллимируемых мощным магнитным полем еще до попадания к горизонту событий.
До недавнего времени объяснение физики, происходящей в основании этих струй, ускользало от ученых. Новые данные, собранные в ходе эксперимента в PPPL, могут пролить свет на этот процесс. Основной обновкой методики стала модификация метода измерения плазмы, известного как протонная радиография.
В ходе эксперимента использовали импульсный лазерный луч мощностью 20 джоулей для создания плазмы с высокой плотностью энергии. Этот луч попадал в пластиковую мишень, где инициировался процесс ядерного синтеза в топливной капсуле, заполненной дейтерием и гелием-3. Эти реакции высвобождали протоны и рентгеновское излучение, которые затем проходили через никелевую сетку, разделяя пучки протонов и позволяя ученым наблюдать взаимодействие плазмы с магнитным полем.
Идя по линиям магнитного поля, протоны создавали картину взаимодействия, а рентгеновское излучение служило для сравнительных измерений. Это позволило исследователям детально наблюдать изменения магнитного поля под давлением расширяющейся плазмы.
Наиболее впечатляющим результатом эксперимента стало наблюдение магнито-рейлеевских неустойчивостей Тейлора. Эти неустойчивости возникают при взаимодействии плазмы и магнитных полей и приводят к образованию вихрей и «грибов». Важным открытием стало то, что магнитные поля могли возвращаться в исходное положение и сжимать плазму в узкую колонну, напоминающую струи квазаров.
Результаты эксперимента убедительно свидетельствуют о том, что джеты квазаров могут образовываться благодаря реакции магнитных полей на расширяющуюся плазму. Этот механизм может объяснять интенсивные условия, возникающие в аккреционном диске черной дыры, где плазма сталкивается с плотно упакованными линиями магнитного поля, которые затем отскакивают назад и «отталкивают» плазму, создавая струи.
Примечательно, что для подобных экспериментов необходимы чистые помещения. Поддержание чистоты и контроля над условиями в лаборатории – критично для получения точных и воспроизводимых результатов. В таких помещениях минимизируются воздействия частиц, пыли и других загрязнений, которые могут привести к погрешностям или нежелательным эффектам в экспериментах. Также использование магнитных полей и высокоэнергетических лазеров требует строгих мер безопасности и защиты, что обеспечивается только в специально оборудованных чистых помещениях.
Эти достижения позволили ученым более точно моделировать и понимать астрофизические струи, что открывает новые горизонты для исследований. «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», - отметила София Малко из PPPL.
Результаты исследований были опубликованы 27 июня в журнале Physical Review Research и подчеркивают важность лабораторных экспериментов для понимания событий, происходящих во Вселенной.
Для детального изучения нашего опыта в области чистых помещений посетите Клеро Медикал.
Поможем оказать полный спектр услуг для создания чистых помещений под ключ.