Релятивистские струи, или джеты, – одни из самых таинственных явлений Вселенной. Потоки плазмы протяженностью в тысячи или даже миллионы световых лет разгоняют вещество до скоростей, близких к скорости света. Как именно это происходит – вопрос остается открытым. Физики в двух лабораториях, расположенных по разные стороны Атлантики, почти одновременно смогли воспроизвести условия, которые могут формировать джеты, исходящие от черной дыры.
Компактные объекты — черные дыры и нейтронные звезды — активно притягивают окружающее вещество. При большом объёме вещества формируется аккреционный диск, спиралевидная структура, уплотняющаяся к центру. Чем ближе вещество к центру притяжения, тем быстрее оно движется и чаще взаимодействует с другими частицами. Это повышает давление и температуру. Массивность центрального объекта определяет экстремальность условий на внутренней границе аккреционного диска.
За исключением гравитационного линзирования, все наблюдаемые проявления черных дыр и нейтронных звезд представляют собой частичные или полные эффекты взаимодействия вещества с компактным объектом. К таким объектам относятся квазары с блазарами и пульсары. Свечение внутренней части аккреционного диска в разных диапазонах электромагнитного излучения относительно понятно: вещество, разогретое сжатием до состояния плазмы, испускает инфракрасное, видимое, рентгеновское и радиоизлучение.
С джетами ситуация отличается. Представляют собой невероятно быстрые и горячие потоки плазмы, направленные перпендикулярно плоскости аккреционного диска. Все наблюдения релятивистских струй свидетельствуют о том, что их источником являются едва ли не самые энергетически интенсивные процессы во Вселенной.
Что происходит с веществом на внутренней границе аккреционного диска — остается тайной. Физика плазмы уже в обычных условиях представляет собой сложную науку, а вблизи компактно-объектов, где искривляется сама фундаментальная ткань Вселенной, загадки еще больше.
Более столетие не удаётся построить теорию возникновения джетов, хорошо согласующуюся с эмпирическими данными. Наиболее полные модели предполагают сочетание нескольких эффектов. Часть энергии вращающейся чёрной дыры или нейтронной звезды передаётся материи аккреционного диска за счёт эффекта Лензе — Тирринга (Увлечения инерциальных систем отсчёта). Если вещество вращается вокруг компактного объекта в ту же сторону, что и он, то ускоряется — и наоборот. Ускорение приводит к «подъему» орбиты, вследствие чего часть вещества может изменить траекторию и в конце концов сформировать струю, перпендикулярную аккреционному диску.
Процесс Пенроуза – первый механизм формирования джетов. Второй – процесс Блэнфорда — Знаека. Взаимодействие магнитных полей компактного объекта с полями в плазме аккреционного диска приводит к ускорению заряженных частиц по линиям превалирующего поля. Часть вещества выбрасывается над полюсами черной дыры или нейтронной звезды, где получает дополнительную энергию во время рекомбинации магнитных линий.
Пронаблюдать подобные явления в лабораторных условиях или в естественной среде сложно. Неудивительно, что недавно две научные группы провели эксперименты, моделирующие обстановку внутренних областей аккреционного диска около компактного тела.
Учёные из Сорбоннского университета (Франция), а также Принстонского, Мичиганского и Калифорнийского университетов (США) совершенствовали метод протонной радиографии плазмы в Принстонской лаборатории физики плазмы. PPPLЭта технология полезна для изучения быстро протекающих процессов в высокоэнергетической плазме, возникающей во время термоядерных взрывов и требуемой для функционирования новых термоядерных реакторов.
В целом основное направление деятельности PPPLСовершенствование таких методик является целью. Отмечен процесс формирования джетов как приятное открытие.
Увеличенное разрешение протонной радиографии впервые позволило увидеть магнитные неустойчивости Рэлея — Тейлора в плазме. Это явление вызывает причудливые облака, «грибы» при ядерных и мощных конвенциональных взрывах, а также вихреподобное распределение молока в чашке кофе. Для плазмы в магнитном поле такая неустойчивость теоретически очевидна, но экспериментально ее наблюдать не удавалось.
Нагреваясь, плазма накапливает энергию и, при нахождении в магнитном поле, начинает расширять его линии. Образующийся пузырь неустойчив и разрушается при малейшем воздействии.
Плазма теряет энергию, отдавая её магнитному полю, линии которого соединяются. Из-за их выравнивания энергия высвобождается и передается обратно заряженным частицам — составляющим плазмы, но уже в другом направлении. Получившийся результат слишком напоминает процессы формирования струй, чтобы его не учитывать.
Авторы научной работы, опубликованной в рецензируемом журнале Physical Review ResearchУченые полагают, что эксперимент может послужить основой для изучения природы релятивистских струй. В будущем ученые планируют доработать модели поведения плазмы в экстремальных условиях и продолжить опыты с усовершенствованной методикой протонной радиографии для последующих симуляций джетов.
Несколько недель назад, когда сотрудник работал на исследовательском комплексе ЦЕРН… HiRadMat коллаборация FireballБыло сообщено о получении электрон-позитронной плазмы в ходе серии экспериментов. В специальной статье изложена вся информация о данном открытии. опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications.
Электрон-позитронная плазма образуется в экстремальных условиях, например, на внутренних участках аккреционных дисков, где возникают джеты. Поведение вещества в таком виде существенно отличается от обычной ион-электронной плазмы. Теперь появилась возможность экспериментально проверять существующие модели, что может стать важным шагом в изучении самых высокоэнергетических событий Вселенной.