Ученые создали искусственные струи черных дыр

Лабораторный эксперимент впервые наглядно продемонстрировал механизм, который может объяснить природу загадочных релятивистских джетов — гигантских плазменных выбросов, исходящих от сверхмассивных черных дыр. Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) смоделировали процесс «перетягивания каната» между плазмой и магнитным полем, который, вероятно, лежит в основе формирования этих космических струй.

Как протонная радиография раскрыла динамику плазмы

В ходе эксперимента ученые воссоздали условия, напоминающие окрестности активной черной дыры. Импульсный лазер мощностью 20 джоулей создал высокоплотное плазменное облако. Одновременно в топливной капсуле были запущены реакции термоядерного синтеза, которые породили два типа излучения: протоны и рентгеновские лучи. Ключевым инструментом стала никелевая сетка, которая, подобно ситу, разделила протонный поток на множество микроскопических пучков. Проходя через расширяющееся плазменное облако и фоновое магнитное поле, эти пучки отклонялись, визуализируя силовые линии. Рентгеновские лучи, нечувствительные к магнитному полю, служили эталонным «снимком» плазмы, позволяя отделить искажения, вызванные магнетизмом.

Наблюдение «магнитных грибов» и возвращение поля

Анализ данных показал, что расширяющаяся плазма буквально выгибает магнитное поле наружу. На границе их столкновения возникли характерные вихревые структуры и «грибовидные» формы — прямое свидетельство так называемой магнито-рейлеевской неустойчивости Тейлора. Этот феномен давно предсказывался теоретически, но до сих пор не был зафиксирован в лабораторных условиях. Самым важным открытием стало наблюдение за обратным процессом. Когда энергия плазмы иссякла, деформированные линии магнитного поля «отскочили» обратно, сжав остатки плазмы в узкую, прямолинейную колонну. Это сжатие в точности повторяет форму релятивистских джетов, наблюдаемых астрономами. Данное исследование предлагает элегантное объяснение того, как работают активные галактические ядра. В аккреционном диске черной дыры плазма, разогретая до экстремальных температур, сталкивается с плотными магнитными линиями. Поле деформируется, но не разрывается. Как только давление плазмы падает, магнитное поле восстанавливает свою структуру, выстреливая плазму обратно в космос в виде сфокусированного луча. Полученные данные позволяют физикам впервые построить точные модели этого процесса, что приближает нас к пониманию того, как черные дыры «выплевывают» вещество на тысячи световых лет.