Ученые вырастили диск черной дыры в лаборатории, чтобы лучше понять, как они питаются

Ученые перенесли на Землю непосредственное окружение черной дыры, создав в лаборатории вращающийся диск из плазмы.


Это кольцо из перегретого газа имитирует материю, которая вращается вокруг края черных дыр в так называемых «аккреционных дисках», постепенно подающих материю к черным дырам.

Эксперимент, проведенный исследователями из Имперского колледжа Лондона, может помочь ученым ответить на вопрос, как черные дыры растут, поглощая окружающую их материю.


—Висенте Валенсуэла Вилласека, ведущий автор исследования.

Диски плазмы вокруг черных дыр были впервые запечатлены, когда телескоп горизонта событий сделал их первое прямое изображение.


На этом историческом изображении мы впервые видим диски сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87 (M87) а на более позднем изображении сверхмассивной черной дыры в Млечном Пути Стрелец A *(Sgr A*) преобладает светящийся оранжевый цвет, который дает кольцо плазмы, окружающее темную центральную часть черной дыры.

Подобное кольцо возникает, когда материя притягивается к черной дыре, и ее огромное гравитационное влияние создает турбулентные и жестокие условия, нагревая газ и отрывая электроны от составляющих его атомов. Это превращает газ в плазму, море безэлектронных атомов или ионов и электронов. Эта плазма образует аккреционный диск, удерживаемый внешним толчком центробежной силы, создаваемой его вращением, и внутренней силой гравитации.

Эта стабильность иногда прерывается, в результате чего материал с диска падает на поверхность черной дыры, но ученые точно не уверены в понимании того, как возникают нестабильности. Это важно для нашего понимания черных дыр, поскольку они не могут расти без аккреции некоторого материала.

Ученые вряд ли могут воссоздать черную дыру, подобную M87, масса которой в 4,5 миллиарда раз превышает массу Солнца. Лучшее, что на данный момент доступно исследователям для изучения окружающей среды этих космических титанов вблизи — это воссоздать плазму, которая вращается вокруг них.


Команда использовала Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE) для вращения плазмы и создания точных копий аккреционных дисков. Для этого потребовалось разогнать восемь струй плазмы и столкнуть их, чтобы получилась вращающаяся колонна. Команда обнаружила, что плазма движется быстрее во внутренних областях колонны, что считается важной характеристикой аккреционных дисков.

Несмотря на возможность лучшего моделирования аккреционных дисков, эксперимент является лишь доказательством концепции, главным образом потому, что MAGPIE может генерировать только короткие импульсы плазмы, что ограничивает наблюдения группы не более чем одним полным оборотом диска. Повторение эксперимента с более длинными импульсами плазмы должно позволить команде лучше охарактеризовать аккреционные диски.

Одним из предполагаемых механизмов, вызывающих нестабильность в этих дисках плазмы, являются магнитные поля, вызывающие трение, вызывающее потерю энергии материей, что приводит к ее аккреции к поверхности черных дыр. Более длинные импульсы плазмы в лаборатории также позволят ввести магнитные поля в систему, что позволит исследователям проверить работу этого механизма.


— Валенсуэла-Вильясека.

Исследование команды было опубликовано в научном журнале Physical Review Letters.