Релятивистские струи, или джеты, представляют собой, возможно, одни из самых таинственных явлений, наблюдаемых во Вселенной. Это потоки плазмы, простирающиеся на тысячи или даже миллионы световых лет, при этом вещество в них движется со скоростями, приближающимися к скорости света. Однако механизмы, способные обеспечивать столь мощное ускорение материи, остаются неясными. Ученые в двух лабораториях, расположенных на разных сторонах Атлантики, практически одновременно смогли создать условия, которые могут порождать джеты, исходящие от черных дыр.
Среди массивных компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, распространено явление активного захвата окружающей материи. Если материи достаточно, она образует аккреционный диск – огромную спиралевидную структуру, сжимающуюся в направлении центра. По мере приближения вещества в аккреционном диске к центру притяжения, его скорость возрастает, а компоненты начинают чаще взаимодействовать. Это вызывает увеличение давления и температуры. Масса центрального объекта определяет степень экстремальности условий на внутренней границе аккреционного диска.
Помимо гравитационного линзирования, все наблюдаемые проявления черных дыр и нейтронных звезд обусловлены, отчасти или полностью, эффектами, возникающими в результате взаимодействия вещества, падающего на компактный объект. К ним относятся, как минимум, квазары с блазарами и пульсары. Что касается свечения внутренней части аккреционного диска в различных диапазонах электромагнитного излучения, то картина достаточно ясна: вещество нагревается сжатием до состояния плазмы, и поэтому оно испускает инфракрасное, видимое, рентгеновское и радиоизлучение.
В случае с джетами наблюдается иная картина. Это чрезвычайно быстрые и горячие потоки плазмы, ориентированные перпендикулярно плоскости аккреционного диска. Все имеющиеся данные о релятивистских струях указывают на то, что они порождаются одними из самых энергетически насыщенных процессов, известных во Вселенной.
Что именно происходит с веществом на внутренней границе аккреционного диска, остается неизвестным. Физика плазмы представляет собой сложнейшую область науки даже вне экстремальных условий. Что говорить об окрестностях компактных объектов, где искажается сама фундаментальная структура Вселенной.
Создание адекватной теории, соответствующей экспериментальным данным о формировании джетов, не удается уже больше столетия. Наиболее детализированные модели предполагают сочетание нескольких факторов. Эффект Лензе-Тирринга (вызванный увлечением инерциальных систем отсчета) обеспечивает передачу части энергии вращающейся черной дыры или нейтронной звезды веществу аккреционного диска. Если вещество движется вокруг компактного объекта в том же направлении, что и сам объект, то оно испытывает ускорение, в противном случае — замедление. Ускорение приводит к «подъему» орбиты, что может привести к изменению траектории части вещества и, в конечном итоге, к образованию струи, расположенной перпендикулярно аккреционному диску.
Процесс Пенроуза – это один из механизмов, участвующих в формировании джетов. Другой механизм, отвечающий за этот процесс, называется процессом Блэнфорда — Знаека. Взаимодействие магнитных полей, окружающих компактный объект, и магнитных полей, а также вещества аккреционного диска, приводит к ускорению заряженных частиц (компонентов плазмы) вдоль линий магнитного поля. Обычно это вызывает выброс части вещества в области над магнитными полюсами черной дыры или нейтронной звезды, где вещество получает дополнительную энергию в момент перестройки магнитных линий.
Изучение подобных явлений в экспериментальных условиях или в естественной среде представляет собой сложную задачу. Поэтому особенно впечатляет, что недавно две научные группы одновременно провели эксперименты, воспроизводящие условия, аналогичные тем, что существуют во внутренних областях аккреционного диска вокруг компактного объекта.
Усовершенствование метода протонной радиографии плазмы осуществлялось совместными усилиями специалистов из Сорбоннского университета (Франция) и Принстонского, Мичиганского и Калифорнийского университетов (США). Работа проводилась в Принстонской лаборатории физики плазмы ( PPPL). Данная технология имеет ключевое значение для изучения краткосрочных процессов, происходящих в высокоэнергетической плазме. Такая плазма возникает во время термоядерных взрывов и является необходимой для функционирования перспективных термоядерных реакторов.
В целом основное направление деятельности PPPL и заключается в совершенствовании подобных методик. Обнаружение процессов формирования джетов оказалось приятным сюрпризом.
Повышенное разрешение протонной радиографии открыло возможность впервые визуализировать предсказанные ранее магнитные неустойчивости Рэлея — Тейлора в плазме. Этот эффект, известный также без уточнения «магнитный», объясняет образование облаков необычной формы, напоминающих «грибы», при ядерных и мощных обычных взрывах, а также вихреобразное расположение молока в чашке кофе. Неустойчивость такого рода для плазмы, находящейся в магнитном поле, была теоретически предсказана, однако экспериментальное подтверждение ранее отсутствовало.
В ходе этого процесса плазма, при нагревании, аккумулирует энергию. При наличии внешнего магнитного поля она начинает деформировать его силовые линии. Так формируется пузырь, который отличается нестабильностью и разрушается даже при незначительных колебаниях.
По мере потери энергии плазма передает ее магнитному полю, линии которого затем рекомбинируют. В результате этого распрямления энергия высвобождается и возвращается к заряженным частицам, составляющим плазму, но уже в ином направлении. Получившаяся картина имеет поразительное сходство с процессами, лежащими в основе формирования джетов, что не может быть проигнорировано.
Авторы научной работы, опубликованной в рецензируемом журнале Physical Review Research, ученые полагают, что их исследование может послужить фундаментом для изучения особенностей релятивистских струй. В перспективе они намереваются доработать модели, описывающие поведение плазмы в условиях экстремальных температур и давления, и продолжить эксперименты с использованием усовершенствованной методики протонной радиографии для моделирования джетов.
За несколько недель до этого, сотрудница исследовательского комплекса ЦЕРН HiRadMat коллаборация Fireball сообщила, что в серии экспериментов удалось впервые получить электрон-позитронную плазму. Описывающая все тонкости достижения научная работа опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications.
Электрон-позитронная плазма образуется в условиях экстремальной природы, таких как внутренние области аккреционных дисков, где часто зарождаются джеты. Поведение вещества в такой разреженной форме существенно отличается от поведения обычной ион-электронной плазмы. Появление экспериментальных возможностей для проверки существующих моделей может ознаменовать собой значительный прогресс в исследовании самых высокоэнергетических процессов во Вселенной.