В лаборатории впервые было получено вещество, которое обладает свойствами, идентичными плазме в окрестностях черной дыры. Об этом говорится в совместной работе российских, японских и французских ученых.
О какой плазме идет речь?
В лабораторных условиях были получены аккреционные диски черной дыры. Это такая структура, которая возникает в результате диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело.
Такие диски появляются также вокруг звезд в тесных двойных системах, во вращающихся галактиках и в протопланетных образованиях. Кроме этого, аналогичное вещество появляется в механизме гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звезд и коллапс ядер сверхновых и гиперновых звезд.
Сжатие вещества, а также выделение тепла в результате трения дифференциально вращающихся слоев, приводит к разогреву аккреционного диска.
Как вещество появляется естественным путем?
Мы уже говорили, что газ, перетекающий от одного компонента системы к другому, имеет значительный момент вращения: он появляется из-за орбитального движения. Поэтому частицы газа не могут падать на звезду радиально. Вместо этого они движутся вокруг нее по кеплеровским орбитам.
В результате образуется газовый диск, в котором распределение скоростей соответствует законам Кеплера. Согласно нему слои, расположенные ближе к звезде, будут иметь большие скорости. Однако из-за трения между слоями газа их скорости выравниваются, и внутренние слои передают часть своего момента импульса наружу.
Вследствие этого внутренние слои приближаются к звезде и в конце концов падают на ее поверхность. Фактически траектории отдельных частиц газа имеют вид спиралей, которые медленно закручиваются.
Радиальное смещение вещества в аккреционном диске сопровождается высвобождением гравитационной энергии, часть которой превращается в кинетическую энергию (ускорение движения газа при приближении к звезде), а другая часть превращается в тепло и разогревает вещество диска. Поэтому аккреционный диск испускает тепловое электромагнитное излучение. Кинетическая энергия газа при столкновении с поверхностью звезды также трансформируется в тепловую энергию и излучается.
Как вещество создали в лаборатории?
Основным свойством образования таких рентгеновских источников будет сильное магнитное излучение. Его магнитное поле и индукция могут достигать нескольких тысяч Тесла, отмечают в своей работе исследователи из института ЛаПлаз, НИЯУ МИФИ и лаборатории CELIA Университета Бордо.
Астрофизика долгое время считалась уделом наблюдателей, поскольку повлиять на изучаемые ею явления или тем более воспроизвести их представлялось, мягко говоря, затруднительным. Уникальность нашего эксперимента в том, что параметры полученной плазмы не нужно масштабировать, они соответствуют действительным параметрам плазмы в окрестности черной дыры тесных двойных систем типа Лебедь Х-1.
Филипп Корнеев, доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ
Суть метода заключается в эффекте отражения мощного лазерного луча вдоль спиралевидной внутренней поверхности мишени. Мишенью становится свернутый кусочек фольги, размер которого составляет несколько сот микрон.
Лазерный луч подает энергию в 330 Джоулей длительностью в одну пикосекунду. Таким образом он почти полностью поглотился в полости мишени, создав внутри релятивистскую плазму и магнитное поле индукцией более 2 тыс. Тесла.
По словам Корнева, за счет того, что такой мощный лазер был направлен на сравнительно малую мишень в течение 10–12 секунд, мощность импульса оказалась примерно в 20 раз больше потребляемой мощности всей энергетики Земли.
После этого в объеме мишени на несколько пикосекунд образовалась материя с температурой в миллиарды градусов, плотностью 1018 частиц на см3 и вмороженным магнитным полем более 2 000 Тесла. Именно эти параметры можно обнаружить у плазмы в активной области рентгеновских источников
Согласно тексту исследования, объем раскаленной замагниченной материи был достаточным, чтобы обладать основными характеристиками своего космического прототипа. Этому также способствовали условия эксперимента, в частности то, что внутри объема плазмы магнитные поля были направлены навстречу друг другу таким образом, что в области соприкосновения встречных магнитных линий происходила аннигиляция магнитного поля, приводящая к возникновению потоков частиц со скоростями, близкими скорости света.
Что теперь?
Проведенный опыт показал, что разработанная международной группой методика может создавать не только квазистационарные магнитные поля рекордной величины, но и моделировать состояние возникающей в них плазмы с высокой плотностью энергии вещества и электромагнитной энергии. На данном этапе это очень востребовано в лабораторной астрофизике.
Этот опыт, по мнению международной группы, станет основой для усовершенствования техники, которая создает направленные пучки частиц: сделает их более эффектиными и мощными. Такие устройство активно используются в экспериментальной науке, медицине, системах безопасности.
Читать также
На угрожающем Земле астероиде Апофис заметили опасное явление. Что происходит?
Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19
Что обнаружил зонд Parker Solar Probe, подлетевший максимально близко к Солнцу