14,6 тыс подписчиков
Чёрная дыра в пробирке? Ну, почти...
Физики воссоздали наиболее точный лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, чёрные дыры. Аккреционный диск — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело. Чаще всего речь про аккреционные диски идёт при описании чёрных дыр, но это явление встречается намного чаще и имеет важное значение во многих астрофизических процессах. Естественно, необходимо хорошо понимать это явление, но необходимые знания можно получать не только теоретически, но и экспериментально. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой магнитным полем. Недостатком всех этих методов остаётся наличие жёстких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование.
Группа физиков под руководством Сергея Лебедева из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишённый этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения.
Установка исследователей состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах рёбер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции (испарения с поверхности) вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра.
Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за её образованием и развитием в оптическом и коротковолновом (экстремальном) ультрафиолетовом диапазонах спектра, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме.
Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100 ± 20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3 ± 1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол.
В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счёт более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит ещё больше в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества.
На первом изображении: аккреционный диск вокруг чёрной дыры, иллюстрация.
На втором изображении: (a) схематическое изображение плазменных потоков в эксперименте, включая перпендикулярные плазменные струи. (b) Схематическое изображение экспериментальной установки. (c) Оптическое изображение сталкивающихся и вращающихся плазменных потоков. (d) Изображение вращающегося плазменного столба и выходящей из нее струи, сделанное сбоку в коротковолновом (экстремальном) ультрафиолетовом диапазоне спектра.
Credit: S. V. Lebedev et al.
3 минуты
29 мая 2023
169 читали