Плазменные «огненные шары» помогают объяснить тайну сверхмассивной чёрной дыры

Сверхмассивные чёрные дыры остаются полными загадок, от их образования до их поведения. Одна из них может быть вскоре разгадана, хотя это будет сделано не с помощью новых космических наблюдений. Данные, полученные с помощью ускорителя частиц на Земле, дают решение давней проблемы. Новое исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сверхмассивные чёрные дыры, активно питающиеся газом, могут создавать мощные струи частиц. Эти частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, и в случае класса блазаров эти струи направлены на Землю. С этой точки наблюдения мы наблюдаем излучение гамма-лучей с очень высокой энергией, и этот мощный свет взаимодействует с другими частицами света, образуя каскад материи-антиматерии в виде электронно-позитронных пар.

Эти пары частиц и античастиц должны взаимодействовать с реликтовым излучением, рассеиваясь на нём и создавая другое гамма-излучение с энергией в одну тысячную от исходного. Однако это излучение до сих пор не наблюдалось.

Но появился суперпротонный синхротронный ускоритель в ЦЕРНе. Этот аппарат использовался для создания первых в мире плазменных огненных шаров для проверки основной конкурирующей гипотезы. Одна из гипотез предполагает, что нестабильность внутри джета нарушает его в астрономических масштабах, приводя к потере энергии. Другая заключается в том, что пучок остаётся стабильным на протяжении тысяч световых лет, а слабое межгалактическое магнитное поле нарушает каскад частиц, выталкивая слабые гамма-лучи за пределы прямой видимости.

В ходе эксперимента в ЦЕРНе были получены пары электронных и позитронных пучков, распространяющихся в окружающей плазме. Международная группа исследователей обнаружила, что пучки были узкими и практически параллельными, с минимальными искажениями. Эти результаты позволяют предположить, что причиной является слабое межгалактическое магнитное поле, возможно, оставшееся со времен ранней Вселенной.

«Наше исследование демонстрирует, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдениями, углубляя наше понимание астрофизических объектов, наблюдаемых с помощью спутниковых и наземных телескопов», — заявил ведущий автор исследования  профессор Джанлука Грегори из Оксфордского университета. «Оно также подчёркивает важность сотрудничества между экспериментальными центрами по всему миру, особенно в прокладывании новых путей доступа к всё более экстремальным физическим режимам».

«Было очень интересно участвовать в таком инновационном эксперименте, который привносит новое измерение в передовые исследования, проводимые в ЦЕРНе. Надеемся, наш поразительный результат пробудит интерес в сообществе плазменной (астро)физики к возможностям исследования фундаментальных космических вопросов в земной лаборатории физики высоких энергий», — добавил соисследователь профессор Субир Саркар, также из Оксфорда.