Черные дыры высвобождают мощные струи плазмы, и теперь мы можем их воспроизвести

Эксперимент на Земле только что воспроизвел один из самых экстремальных астрофизических процессов в миниатюре.

Физикам из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) удалось создать коллимированные струи, напоминающие те, которые извергаются из молодые звезды и питающиеся черные дыры.

Наша лабораторная версия далеко не такая большая и мощная, как космические, которые могут простираться на миллионы световых лет. Но результаты впервые выявили давно предполагаемую нестабильность плазмы, которая может помочь нам понять, как эти извержения формируются и вылетают в космос со скоростями, близкими к скорости света.

«Эти эксперименты показывают, что магнитные поля очень важны для формирования плазменных струй», — говорит физик PPPL Уилл Фокс. «Теперь, когда мы можем понять, что порождает эти джеты, мы теоретически могли бы изучить гигантские астрофизические джеты и узнать кое-что о черных дырах».

Астрофизические джеты — это своего рода загадка. Это длинные узкие потоки плазмы, которые выбрасываются с полюсов некоторых космических объектов вдоль оси вращения.

В черных дырах они образуются, когда черная дыра питается; ученые полагают, что часть материала, кружащегося вокруг черной дыры, отклоняется и ускоряется вдоль силовых линий магнитного поля к полюсам, где выбрасывается в виде струи.

Считается, что аналогичный механизм действует и с звездочки-детеныши, которые питаются из материала аналогичным образом. Но на самом деле мы не знаем деталей формирования джета, что является довольно существенным пробелом в нашем понимании астрофизических процессов.

Исследовательская группа под руководством физика PPPL Софии Малко теперь наблюдала один возможный механизм. .

Команда хотела изучить взаимодействие между магнитными полями и плазмой, которая представляет собой состояние материи, состоящей из ионизированных частиц. Для этого они применили метод, известный как протонная радиометрия, который использует отклонение положительно заряженных субатомных частиц для отображения закономерностей в магнитном поле плазмы.

Плазма была создана путем воздействия лазера на тонкий пластиковый диск. Тем временем смесь протонов и рентгеновских лучей была создана путем обстрела лазерами капсулы из водорода и гелия, которая при нагревании вступала в ядерную реакцию.

Протоны и рентгеновские лучи прошли через никелевую сетку, расположенную между двумя мощными магнитными катушками. Действуя как экструдер для макарон, сетка заставляла свет и частицы образовывать сетку из крошечных лучей.

Искаженные собственными электромагнитными взаимодействиями плазмы с внешним магнитным полем, пучки протонов служили мерой хаоса внутри. Поскольку рентгеновские лучи проходили беспрепятственно и неискаженно, они служили точкой сравнения поведения протонов.

То, что наблюдала команда, было магнитным полем, выпирающим наружу под давлением расширяющаяся плазма. По мере того как плазма продолжала проникать в магнитное поле, по краям начали появляться пузыри и пена, напоминающие формы грибов и столбцов – очень похоже на то, как холодное молоко кружится и расцветает, когда вы опускаете его в горячий кофе.

«Во время взаимодействия образуется множество структур там, где поля встречаются с плазмой, поскольку существуют резкие различия в температуре, плотности и силе магнитного поля», — объясняет Малко. «Это идеальное место для их роста».

Наконец, когда у плазмы кончилась энергия, магнитное поле вернулось в исходное положение, что, в свою очередь, заставило плазму течь длинным, тонким, коллимированные струи, подобные тем, что вырываются из черных дыр.

Поистине интересной частью, по словам исследователей, было пузырение и пена на краях плазмы. Это явление известно как магнито-рэлеевская-тейлорская неустойчивость. это форма известной нестабильности в гидродинамике, с той разницей, что в ней участвует магнитное поле.

«Когда мы провели эксперимент и проанализировали данные, мы обнаружили, что у нас есть что-то большое», — говорит Малко.

«Давно считалось, что наблюдаются магнито-рэлеевско-тейлоровские неустойчивости, возникающие в результате взаимодействия плазмы и магнитных полей, но до сих пор никогда не наблюдались напрямую. Это наблюдение помогает подтвердить, что эта неустойчивость возникает, когда расширяющаяся плазма встречается магнитные поля Мы не знали, что наша диагностика будет иметь такую ​​точность. Вся наша команда в восторге!»

Это наблюдение имеет значение не только для астрофизики. Плазма, удерживаемая магнитными полями, составляет основу термоядерного реактора, который, как надеются физики, однажды сможет обеспечить эффективную , чистая энергия.

Удержание плазмы внутри магнитного поля представляет собой сложную задачу; знание того, как взаимодействуют плазма и магнитные поля, дает нам больше информации, которую можно применить для решения проблем в будущем.

«Теперь, когда мы очень точно измерили эти нестабильности, у нас есть информация, необходимая для улучшения наших моделей и, возможно, для моделирования и понимания астрофизических джетов в более высокой степени, чем раньше», — говорит Малко. «Интересно, что люди могут что-то сделать. в лаборатории, которая обычно существует в космосе».

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Research.