Физика создали релятивистские струи черных дыр на Земле
Известно, что сверхмассивные черные дыры извергают гигантские пучки плазмы в космос – и теперь ученым удалось воссоздать эти огненные шары в лаборатории ЦЕРН.
Хотя черные дыры известны тем, что поглощают все, что приближается к ним слишком близко, даже свет, на самом деле не все так просто. Экстремальная физика, происходящая рядом с ними, разбрасывает материал повсюду, а в некоторых случаях он концентрируется в струях материи (джетах), ускоряющихся почти до скорости света.
Считается, что эти релятивистские струи, как их называют, содержат плазму, состоящую из электронов и их эквивалента антиматерии — позитронов. Но то, как именно создается этот материал и какие эффекты она оказывает, сложно измерить на основе астрономических наблюдений и компьютерного моделирования.
Ученые ЦЕРН задались целью создать в лаборатории свои собственные версии таких джетов. Используя установку HiRadMat, команда исследователей захватила 300 миллиардов протонов из суперпротонного синхротрона и направила их на мишени из графита и тантала. Это запустило каскад взаимодействий частиц, который генерирует достаточное количество электрон-позитронных пар для поддержания стабильного состояния плазмы.
Сначала протоны врезаются в ядра углерода в графите, обладая достаточной энергией, чтобы выбить элементарные частицы внутри них. Среди них нейтральные пионы, которые быстро распадаются на гамма-лучи высокой энергии.
Эти гамма-лучи затем взаимодействуют с электрическим полем тантала, который, в свою очередь, производит пары электронов и позитронов. В ходе этого испытания было произведено 10 триллионов электрон-позитронных пар, чего более чем достаточно, чтобы заставить их вести себя как настоящая астрофизическая плазма.
«Основная идея этих экспериментов — воспроизвести в лаборатории микрофизику астрофизических явлений, таких как струи черных дыр и нейтронных звезд», — сказал Джанлука Грегори, соавтор исследования.
«То, что мы знаем об этих явлениях, получено почти исключительно из астрономических наблюдений и компьютерного моделирования, но телескопы не могут по-настоящему исследовать микрофизику, а моделирование предполагает приближение. Подобные лабораторные эксперименты являются мостом между этими двумя подходами».
Следующей задачей ученых в HiRadMat станет распространение этих струй и наблюдение за тем, как взаимодействие между ними создает магнитные поля, ускоряющие частицы в них — одна из величайших загадок астрофизики высоких энергий.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.