Физики воссоздали в лаборатории аккреционный диск черной дыры
Физики создали в лаборатории вращающийся диск из плазмы, имитирующий диски вокруг черных дыр. Эксперимент более точно моделирует то, что происходит в этих плазменных дисках, что может помочь исследователям понять, как растут черные дыры и как коллапсирующее вещество образует звезды.
Когда материя приближается к черным дырам, она нагревается, превращаясь в плазму — четвертое состояние материи, состоящее из заряженных ионов и свободных электронов.
Она также начинает вращаться в структуре, называемой аккреционным диском. Вращение вызывает центробежную силу, выталкивающую плазму наружу, которая уравновешивается гравитацией черной дыры, втягивающей ее внутрь.
Эти светящиеся кольца орбитальной плазмы создают проблему: как черная дыра растет, если материал застревает на орбите, а не падает в дыру?
Ведущая теория состоит в том, что нестабильность магнитных полей в плазме вызывает трение, заставляющее ее терять энергию и падать в черную дыру.
Основным способом проверки этого было использование жидких металлов, которые можно вращать, и наблюдение за тем, что происходит при приложении магнитных полей. Однако, поскольку металлы должны находиться внутри труб, они не являются истинным представлением свободно текущей плазмы.
Теперь ученые использовали инструмент под названием мегаамперный генератор для экспериментов по плазменной имплозии (MAGPIE) для вращения плазмы в более точном представлении аккреционных дисков. Подробности эксперимента были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Знание того, как ведут себя аккреционные диски, поможет нам не только понять, как растут черные дыры, но также и то, как газовые облака коллапсируют, образуя звезды, и даже как мы могли бы лучше создавать наши собственные звезды, понимая стабильность плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу».
Ученые использовали MAGPIE, чтобы разогнать восемь плазменных струй и столкнуть их, образуя вращающийся диск. Они обнаружили, что чем ближе к внутренней части вращающегося диска была плазма, тем быстрее она двигалась, что является важной характеристикой аккреционных дисков во Вселенной.
MAGPIE производит короткие импульсы плазмы, поэтому плазма совершала 0,5–2 полных оборота за экспериментальное время (∼ 150 нс). Однако этот эксперимент показывает, как число оборотов можно увеличить с помощью более длинных импульсов, что позволит лучше охарактеризовать свойства диска.
Более длительное время проведения эксперимента также позволит применить магнитные поля, чтобы проверить их влияние на трение в системе.
«Мы только что начали смотреть на эти аккреционные диски совершенно по-новому, включая наши эксперименты и снимки черных дыр с помощью телескопа горизонта событий. Это позволит нам проверить наши теории и посмотреть, совпадают ли они с астрономическими наблюдениями» — говорят исследователи.