Ученым удалось воспроизвести аккреционный диск черной дыры в лаборатории

Аккреционные потоки, когда газ окружает массивные небесные тела, является частым явлением в огромных просторах Вселенной. Свет, излучаемый аккреционным диском, служит потенциальным индикатором наличия черной дыры. Однако поведение газа, падающего на черную дыру остается загадкой для ученых, и они часто выводят теоретические объяснения, чтобы разгадать ее тайны.

Смотрите также Космические лучи помогли открыть древнюю погребальную камеру под Неаполем

Детали эксперимента

Лабораторные попытки понять физику аккреционных дисков осуществляются разными методами. Некоторые физики моделировали явление, создавая потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в присутствии магнитного поля. Другой метод подразумевает подачу электрического тока на края плазмы Холла, удерживаемой постоянными магнитами. Однако эти методы имеют один существенный недостаток – они включают жесткие границы, которые не существуют в естественных космических процессах, что приводит к искажению результатов моделирования.

Чтобы преодолеть эти ограничения, группа физиков во главе с Сергеем Лебедевым из Имперского колледжа Лондона в сотрудничестве с коллегами из Соединенных Штатов разработала эксперимент, решивший эту проблему. Эксперимент заключался в косом столкновении восьми плазменных струй, которые были хитроумно закручены, образуя кольцо. Движение, наблюдавшееся в этих плазменных струях, напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного небесного тела. Кроме того, эксперимент создал характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения.

Схематическое изображение плазменных потоков в эксперименте / Фото Physical Review Letters

Установка, используемая физиками, состояла из алюминиевых проводов толщиной 40 микрометров, расположенных в середине ребер правильного восьмиугольника. Пропуская через эти провода большие импульсы тока, с пиковыми значениями до 1,4 мегаампера, вещество нагревалось и испарялось. Возникавшие при этом магнитные поля направляли абляционные потоки к центру установки, немного отклоняя их от центральной оси.

Столкновение этих плазменных потоков приводило к их объединению в кольцо диаметром шесть миллиметров. Это кольцо существовало в течение короткой продолжительности примерно 210 наносекунд, за это время плазма совершила от полутора до двух полных оборотов. Физики тщательно следили за формированием и развитием плазменного кольца посредством оптических наблюдений и наблюдений в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, что позволило им изучить распределение скоростей. Полученные изображения показали стабильность плазменного кольца в течение короткого времени жизни, причем вращение происходило в квазикеплеровском режиме.

Кроме плазменного кольца, исследователи также наблюдали появление плазменной струи, генерируемой из вращающегося столба плазмы под действием осевых градиентов теплового и магнитного давления. Вещество в струе развивало скорость примерно 100±20 километров в секунду. Узкий угол расхождения составлял 3±1 градус, указывал на отсутствие эффектов нестабильности. Плазменная струя окружала плазменное гало.

Читайте на сайте Вселенная могла кишить развитыми цивилизациями миллиарды лет назад, задолго до появления человечества

Последующие эксперименты

Забегая вперед, авторы исследования планируют продлить срок службы плазменного кольца, используя более длинные импульсы абляции, что потребует применения более толстых проводов. Заменяя алюминий альтернативными материалами, они стремятся получить контроль над разными параметрами магнитодинамического потока. Такой подход позволит им приблизиться к встречающимся в астрофизических процессах условиям, проливая свет на роль нестабильности магнитного поля в аккреции вещества.

Хотя аккреционный диск – не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики стремятся воспроизвести в лабораторных экспериментах, это недавнее достижение знаменует значительный шаг вперед.