Физики впервые воспроизвели джеты черной дыры в лаборатории

Компактные массивные объекты — черные дыры и нейтронные звезды — имеют свойство активно притягивать к себе окружающее вещество. Если этого вещества много, оно формирует аккреционный диск — колоссальную спиралевидную структуру, уплотняющуюся к центру. Чем ближе вещество в аккреционном диске к центру притяжения, тем быстрее оно движется, а его составляющие чаще взаимодействуют друг с другом. Это приводит к росту давления и температуры. Чем массивнее центральный объект, тем экстремальнее условия на внутренней границе аккреционного диска.

За исключением гравитационного линзирования, все видимые проявления черных дыр и нейтронных звезд — на самом деле, отчасти или полностью проявления эффектов, возникающих в результате взаимодействий вещества, падающего на компактный объект. Таковы как минимум квазары с блазарами и пульсары. Со свечением внутренней части аккреционного диска в разных диапазонах электромагнитного излучения картина более-менее понятная: вещество разогрето сжатием до состояния плазмы, поэтому оно испускает инфракрасное, видимое, рентгеновское и радиоизлучение.

Но с джетами ситуация иная. Они представляют собой невероятно быстрые и горячие потоки плазмы, направленные перпендикулярно плоскости аккреционного диска. Все наблюдения релятивистских струй говорят о том, что их источником выступают едва ли не самые энергетически интенсивные процессы во Вселенной.

Но что именно происходит с веществом в условиях на внутренней границе аккреционного диска — мы не знаем. Физика плазмы и без экстремальных случаев — сложнейшая область науки. Что уж говорить об окрестностях компактных объектов, где сама фундаментальная ткань Вселенной искажается.

Построить хорошо согласующуюся с эмпирическими данными теорию возникновения джетов не получается уже более 100 лет. Наиболее проработанные модели подразумевают комбинацию нескольких эффектов. Часть энергии вращающейся черной дыры или нейтронной звезды передается материи аккреционного диска за счет эффекта Лензе — Тирринга (Увлечения инерциальных систем отсчета). Если вещество вращается вокруг компактного объекта в ту же сторону, что и он, то оно ускоряется — и наоборот. Поскольку ускорение приводит к «подъему» орбиты, часть вещества может менять траекторию и в конце концов формировать струю, перпендикулярную аккреционному диску.

Это называется процессом Пенроуза. Второй механизм, отвечающий за формирование джетов, — процесс Блэнфорда — Знаека. Взаимодействие магнитных полей вокруг компактного объекта с магнитными полями в плазме аккреционного диска и его веществом приводит к ускорению заряженных частиц (компонентов плазмы) по линиям превалирующего магнитного поля. Как правило, это влечет выброс части вещества в регионы над магнитными полюсами черной дыры или нейтронной звезды, где вещество получает дополнительную энергию во время рекомбинации магнитных линий.

Наблюдать такие процессы в экспериментах или в природе непросто. Тем удивительнее, что недавно сразу два научных коллектива провели опыты, имитирующие условия, очень похожие на таковые во внутренних регионах аккреционного диска вокруг компактного объекта.

Сотрудники Сорбоннского (Франция), Принстонского, Мичиганского и Калифорнийского университетов (США) работали над усовершенствованием метода протонной радиографии плазмы в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Эта технология важна для исследования кратковременных процессов в высокоэнергетической плазме — такой, которая встречается при термоядерных взрывах и необходима для работы перспективных термоядерных реакторов.

В целом основное направление деятельности PPPL и заключается в совершенствовании подобных методик. Обнаружение процессов формирования джетов оказалось приятным сюрпризом.

Дело в том, что увеличившееся разрешение протонной радиографии позволило впервые увидеть давно предсказанные магнитные неустойчивости Рэлея — Тейлора в плазме. Это явление (без эпитета «магнитный») обуславливает вымеобразные облака, «грибы» при ядерных и мощных конвенциональных взрывах, а также вихреподобное распределение молока в чашке кофе. Для плазмы в магнитном поле такая неустойчивость теоретически очевидна, но экспериментально ее наблюдать не удавалось.

Процесс выглядит следующим образом. При нагреве плазма накапливает энергию и, если находится во внешнем магнитном поле, начинает «распирать» его линии. Образующийся пузырь нестабилен и при малейшем возмущении лопается.

Плазма теряет энергию, отдавая ее магнитному полю, линии которого рекомбинируют. В результате их распрямления энергия высвобождается и передается обратно заряженным частицам — компонентам плазмы, но уже в другом направлении. Итоговая картина слишком похожа на то, как могут выглядеть процессы формирования джетов, чтобы ее игнорировать.

Авторы научной работы, опубликованной в рецензируемом журнале Physical Review Research, считают, что их эксперимент можно использовать в качестве основы для изучения природы релятивистских струй. В дальнейшем они планируют усовершенствовать модели поведения плазмы в экстремальных условиях и продолжить опыты с обновленной методикой протонной радиографии непосредственно для дальнейших симуляций джетов.

Парой недель ранее работающая на исследовательском комплексе ЦЕРН HiRadMat коллаборация Fireball сообщила, что в серии экспериментов удалось впервые получить электрон-позитронную плазму. Описывающая все тонкости достижения научная работа опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications.

Электрон-позитронная плазма возникает в особо экстремальных условиях, которые могут формироваться, например, на внутренних участках аккреционных дисков — как раз в тех регионах, где начинают формироваться джеты. И поведение вещества в столь редкой форме радикально отличается от «обычной» ион-электронной плазмы. Теперь есть экспериментальная возможность проверить существующие модели, что обещает стать большим прорывом в изучении самых высокоэнергетических событий Вселенной.