Вчені створили диск чорної діри в лабораторії

Вчені перенесли безпосереднє оточення чорної діри на Землю, створивши в лабораторії обертовий диск із плазми.  Це кільце перегрітого газу імітує матерію, яка обертається навколо краю чорних дір у так званих «акреційних дисках», які поступово подають матерію до чорних дір.  Експеримент, проведений дослідниками з Імперського коледжу Лондона, може допомогти вченим відповісти на питання про те, як чорні діри ростуть, поглинаючи речовину, яка їх оточує. 

«Розуміння того, як поводяться акреційні диски, не тільки допоможе нам дізнатися, як ростуть чорні діри, але й як газові хмари руйнуються, утворюючи зірки, і навіть те, як ми можемо краще створювати власні зірки, розуміючи стабільність плазми в експериментах з термоядерного синтезу, “Вісенте Валенсуела Вілласека, провідний автор дослідження та постдокторський дослідник Прінстонського університету, йдеться в заяві.

Диски плазми навколо чорних дір були увічнені, коли телескоп Event Horizon Telescope (EHT) зробив перше пряме зображення чорної діри.  На цьому історичному зображенні надмасивної чорної діри в центрі галактики Мессьє 87 (M87) — і на пізнішому зображенні надмасивної чорної діри в Чумацькому Шляху, Стрілець A* (Sgr A*) — переважає сяючий оранжевий колір. кільце плазми, що оточує темну центральну чорну діру.

Це кільце виникає, коли матерія притягується до чорної діри, і її величезний гравітаційний вплив створює турбулентні та бурхливі умови, нагріваючи газ і відриваючи електрони від його складових атомів. Це перетворює газ на плазму, море безелектронних атомів, або іонів, і електронів. Ця плазма утворює акреційний диск, який утримується назовні завдяки відцентровій силі, створеній її обертанням, і внутрішній силі тяжіння. 

Ця стабільність час від часу порушується, в результаті чого матеріал з диска падає на поверхню чорної діри, але вчені точно знають, як виникають нестабільності. Це важливо для нашого розуміння чорних дір, оскільки вони не можуть рости без накопичення певного матеріалу. 

Вчені навряд чи зможуть відтворити чорну діру, подібну до M87, яка має масу в 4,5 мільярда разів більшу за масу Сонця. Це означає, що наступне найкраще, що вони можуть зробити, щоб вивчити середовище цих космічних титанів зблизька та особисто, — це відтворити плазму, яка обертається навколо них.

Команда використовувала Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE) для обертання плазми та створення точної копії акреційних дисків. Для цього потрібно було прискорити вісім струменів плазми та зіткнути їх, щоб утворити колону, що обертається. Команда виявила, що плазма рухалася швидше у внутрішніх областях стовпа, що, як вважають, є важливою характеристикою акреційних дисків. 

Незважаючи на можливість кращого моделювання акреційних дисків, експеримент є лише доказом концепції, головним чином тому, що MAGPIE може генерувати лише короткі імпульси плазми, обмежуючи спостереження команди не більше ніж одним повним обертом диска. Повторення експерименту з довшими імпульсами плазми повинно дозволити команді краще охарактеризувати акреційні диски.

Одним із запропонованих механізмів, які спричиняють нестабільність у цих дисках плазми, є магнітні поля, що викликають тертя, яке спричиняє втрату енергії в матерії, що призводить до її накопичення на поверхні чорних дір. Більш тривалі імпульси плазми в лабораторії також дозволять вводити магнітні поля в систему, дозволяючи дослідникам перевірити цей механізм. 

«Ми тільки починаємо розглядати ці акреційні диски зовсім по-новому, включаючи наші експерименти та знімки чорних дір за допомогою телескопа Event Horizon Telescope», — сказала Валенсуела-Вілласека. «Це дозволить нам перевірити наші теорії та перевірити, чи відповідають вони астрономічним спостереженням».