Наука

Вченим вдалося відтворити процес, який відбувається в чорній дірі

Дослідники з Інституту лазерної інженерії Університету Осаки успішно використовували короткі, але надзвичайно потужні лазерні імпульси для створення перез’єднання магнітного поля всередині плазми. Ця робота може привести до створення більш повної теорії рентгенівського випромінювання астрономічних об’єктів — наприклад, чорних дір. Дослідження опубліковане в журналі Physical Review E.

Крім впливу екстремальних гравітаційних сил, матерія, яку пожирає чорна діра, також може піддаватися ударам завдяки сильним тепловим і магнітним полям. Плазма, четвертий стан матерії, складається з електрично заряджених протонів і електронів, у яких занадто багато енергії для утворення нейтральних атомів. Замість цього вони рухаються у відповідь на магнітні поля. Магнітне перез’єднання — це процес, в якому скорочені силові лінії магнітного поля раптово «ламаються» і нейтралізують один одного, що призводить до швидкого перетворення магнітної енергії в кінетичну енергію частинки. Такий процес відбувається в чорних дірах. У зірках, в тому числі і на нашому Сонці, перез’єднання відповідає за більшу частину корональної активності, наприклад, за сонячні спалахи. Через сильне прискорення заряджені частинки в акреційному диску чорної діри випромінюють власне світло, зазвичай в рентгенівської області спектра.

Щоб краще зрозуміти процес, який викликає спостережувані рентгенівські промені, які виходять від чорних дір, вчені з Університету Осаки використовували інтенсивні лазерні імпульси, щоб відтворити ці екстремальні умови в лабораторії.

«Ми змогли вивчити високоенергетичне прискорення електронів і протонів в результаті релятивістського магнітного перез’єднання», — пояснює старший автор Сінсуке Фудзіока. «Наприклад, можна краще зрозуміти походження випромінювання знаменитої чорної діри Лебідь X-1».
Магнітне перез’єднання створюється при опроміненні мікрокатушки LFEX-лазером. Прискорене завдяки магнітному перез’єднанню витікання частинок оцінюється за допомогою декількох детекторів. Як приклад результатів спостерігалися закінчення протонів з симетричним розподілом. Надано: Університет Осаки.

Однак такий рівень інтенсивності світла отримати нелегко. На коротку мить лазеру необхідно два петаватта потужності, що в тисячу разів більше, ніж споживана потужність всієї земної кулі. За допомогою лазера LFEX команда змогла досягти пікового магнітного поля з показниками у 2000 Тесла. Для порівняння: магнітні поля, що генеруються апаратом МРТ для отримання діагностичних зображень, зазвичай складають близько 3 тесла, а магнітне поле Землі становить незначні 0,00005 тесла. Частинки плазми прискорюються до такого ступеня, що необхідно враховувати релятивістські ефекти.

Магнітне поле, створюване всередині мікрокатушки (зліва), і силові лінії магнітного поля, відповідні магнітне перез’єднання (праворуч). Геометрія силових ліній істотно змінилася під час (верхнє) і після (нижня) перез’єднання. Пікове значення магнітного поля в нашому експерименті склало 2100 Тл. Надано: Університет Осаки

«Раніше релятивістське магнітне перез’єднання можна було вивчати тільки за допомогою чисельного моделювання на суперкомп’ютері. Тепер це експериментальна реальність в лабораторії з потужними лазерами », — говорить перший автор Кінг Фай Фарлі Лоу. Дослідники вважають, що цей проєкт допоможе краще зрозуміти астрофізичні процеси, які можуть відбуватися в об’єктах Всесвіту з екстремальними магнітними полями.

Натхнення: hightech.fm

Кнопка «Наверх»