Науковцям вдалося відтворити акреційний диск чорної діри в лабораторії

Акреційні потоки, коли газ оточує масивні небесні тіла, є частим явищем у величезних просторах Всесвіту. Світло, випромінюване акреційним диском, слугує потенційним індикатором наявності чорної діри. Однак поведінка газу, що падає на чорну діру, залишається загадкою для вчених, і вони часто виводять теоретичні пояснення, щоб розгадати її таємниці.

Дивіться також Космічні промені допомогли відкрити стародавню похоронну камеру під Неаполем

Деталі експерименту

Лабораторні спроби зрозуміти фізику акреційних дисків здійснюються різними методами. Деякі фізики моделювали явище, створюючи потоки водно-гліцеринових розчинів або металевих розплавів у присутності магнітного поля. Інший метод передбачає подачу електричного струму на краї плазми Холла, утримуваної постійними магнітами. Однак ці методи мають один суттєвий недолік – вони включають жорсткі межі, які не існують у природних космічних процесах, що призводить до спотворення результатів моделювання.

Щоб подолати ці обмеження, група фізиків на чолі з Сергієм Лебедєвим з Імперського коледжу Лондона у співпраці з колегами зі Сполучених Штатів розробила експеримент, який вирішив цю проблему. Експеримент полягав у косому зіткненні восьми плазмових струменів, які були хитромудро закручені, утворюючи кільце. Рух, який спостерігався в цих плазмових струменях, нагадував рух речовини в акреційному диску масивного небесного тіла. Крім того, експеримент створив характерні плазмові струмені, перпендикулярні до площини обертання.

Схематичне зображення плазмових потоків в експерименті / Фото Physical Review Letters

Установка, яку використовували фізики, складалася з алюмінієвих дротів товщиною 40 мікрометрів, розташованих в середині ребер правильного восьмикутника. Пропускаючи через ці дроти великі імпульси струму, з піковими значеннями до 1,4 мегаампер, речовина нагрівалася і випаровувалася. Магнітні поля, що виникали при цьому, спрямовували абляційні потоки до центру установки, трохи відхиляючи їх від центральної осі.

Зіткнення цих плазмових потоків призводило до їхнього об'єднання в кільце діаметром шість міліметрів. Це кільце існувало протягом короткої тривалості приблизно 210 наносекунд, за цей час плазма зробила від півтора до двох повних обертів. Фізики ретельно стежили за формуванням і розвитком плазмового кільця за допомогою оптичних спостережень і спостережень в крайньому ультрафіолетовому діапазоні, що дозволило їм вивчити розподіл швидкостей. Отримані зображення показали стабільність плазмового кільця протягом його короткого часу життя, причому обертання відбувалося у квазікеплерівському режимі.

Крім плазмового кільця, дослідники також спостерігали появу плазмового струменя, що генерується зі стовпа плазми, який обертається, під дією осьових градієнтів теплового і магнітного тиску. Речовина в струмені розвивала швидкість приблизно 100±20 кілометрів на секунду. Вузький кут розбіжності, що становив 3±1 градус, вказував на відсутність ефектів нестабільності. Плазмовий струмінь оточувало плазмове гало.

Читайте на сайті Всесвіт міг кишіти розвиненими цивілізаціями мільярди років тому, задовго до появи людства

Подальші експерименти

Забігаючи наперед, автори дослідження планують подовжити термін служби плазмового кільця, використовуючи довші імпульси абляції, що вимагатиме застосування товстіших дротів. Замінюючи алюміній альтернативними матеріалами, вони прагнуть отримати контроль над різними параметрами магнітодинамічного потоку. Такий підхід дозволить їм наблизитися до умов, що зустрічаються в астрофізичних процесах, проливаючи світло на роль нестабільності магнітного поля в акреції речовини.

Хоча акреційний диск – не єдине явище, пов'язане з чорними дірами, яке фізики прагнуть відтворити в лабораторних експериментах, це нещодавнє досягнення знаменує собою значний крок уперед.