В лаборатории плазмы создали модель чёрной дыры — физиков заинтересовал процесс её питания

Учёные из Имперского колледжа Лондона впервые создали в лабораторных условиях работающую модель аккреционного диска чёрной дыры, что открывает новые возможности для проверки фундаментальных теорий гравитации и физики плазмы. Эксперимент на уникальной установке MAGPIE, генерирующей импульсы тока мощностью до 1,8 миллиона ампер, позволил воспроизвести динамику плазмы, которая питает эти сверхмассивные объекты, и подтвердил ключевые астрономические наблюдения.

Как плазменное «торнадо» имитирует космос

В основе эксперимента лежит принцип центробежного удержания вещества. Исследователи направили восемь плазменных струй в центр камеры, создав вращающуюся структуру, напоминающую торнадо. Этот вихрь из ионизированного газа (плазмы) — аналог аккреционного диска, который окружает чёрную дыру в реальном космосе. Главная задача модели — понять, как именно вещество теряет энергию и падает на горизонт событий, питая чёрную дыру.

Первый оборот: что удалось зафиксировать

Мощность установки MAGPIE позволила удерживать плазменный диск лишь в течение одного полного оборота. Однако даже этого короткого промежутка хватило, чтобы зафиксировать критически важный эффект: скорость вращения плазмы нарастала по мере приближения к центру. Это в точности соответствует данным, полученным при наблюдении реальных чёрных дыр, в частности, знаменитого оранжевого кольца вокруг M87, запечатлённого телескопом Event Horizon Telescope. Учёные подтвердили, что модель адекватно отражает физику процессов: электроны отрываются от атомов, вещество переходит в состояние сверхразогретой плазмы, а центробежная сила временно удерживает его от коллапса. Этот баланс между падением и выталкиванием остаётся стабильным на протяжении миллионов лет, но его детали до сих пор оставались «серой зоной» в астрофизике.

Пробел в теории питания чёрных дыр

Несмотря на то, что аккреционные диски — основной источник излучения, позволяющий нам «видеть» чёрные дыры, механизм переноса вещества и энергии внутри них плохо поддаётся математическому моделированию. Существующие теории дают лишь приблизительную картину. Лабораторный эксперимент позволяет перевести изучение этих процессов из области гипотез в плоскость прямых измерений. Ограничением текущего опыта стала кратковременность импульса. Для полноценного анализа динамики плазмы, особенно в турбулентных режимах, учёным необходимо удерживать диск в стабильном состоянии дольше. Разработчики установки уже работают над увеличением длительности импульса, что станет следующим шагом к созданию полноценного лабораторного аналога чёрной дыры. В 2019 году мир впервые увидел прямое изображение тени чёрной дыры в галактике M87. Тогда оранжевое кольцо на снимке было восстановлено компьютером. Сегодняшний эксперимент позволяет перейти от наблюдения к воспроизведению: физики получили инструмент для проверки того, как именно формируется это кольцо, как плазма разгоняется до околосветовых скоростей и какие процессы запускают мощные джеты — выбросы энергии, пронизывающие целые галактики. Если учёные смогут масштабировать время удержания плазмы, мы получим не просто модель, а стенд для тестирования эффектов общей теории относительности в условиях, максимально приближенных к экстремальным.