Российские физики сделали мини-джет: чёрные дыры завидуют

Космос всегда умел удивлять. Один из самых интригующих феноменов — это космические джеты, мощные и огромные.

Недавно российские физики из Московского физико-технического института (МФТИ) воссоздали миниатюрный джет прямо в лаборатории. Как это работает и зачем это нужно — рассказываем по порядку.

Что такое космические джеты?

Космические джеты — это мощные плазменные струи, которые выбрасываются из окрестностей чёрных дыр, нейтронных звёзд и квазаров. Только представьте себе поток частиц, который разгоняется почти до скорости света и растягивающийся на тысячи световых лет.

Джеты буквально прошивают пространство, и их можно зафиксировать с помощью радиотелескопов и рентгеновских обсерваторий.

Но откуда они берутся? Всё начинается с аккреционного диска — это вращающийся «блин» из газа и пыли, который формируется вокруг массивного космического объекта, например, той же чёрной дыры. Под действием огромной гравитации вещество в диске ускоряется, трётся и нагревается до экстремальных температур.

Энергия не только излучается в виде света, но и создаёт условия для формирования джетов — расходящихся в противоположные стороны от центра диска струй.

На самом деле джеты — это вызов здравому смыслу. Они ломают привычные представления о масштабе, скорости и мощи. Хотя казалось бы: всего-то струя частиц, которая несётся практически со скоростью света, при этом она настолько длинная, что могла бы связать несколько галактик...

А ещё они почти идеально направлены. Такие структуры наблюдаются даже за миллиарды световых лет от нас.

Если вам кажется, что этого мало, то вот ещё один факт — они ещё могут оставаться стабильными на колоссальных расстояниях. Например, струя от чёрной дыры в галактике M87 достигает 5000 световых лет. Это настолько далеко, что свет от её начала и конца может приходить к нам с разницей в тысячи лет.

Ещё интереснее то, что такие джеты не просто выбрасываются наугад. Они излучают мощные радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение, которые и фиксируют наши телескопы.

Всё это помогает учёным изучать процессы, происходящие вблизи чёрных дыр.

А иногда джеты настолько яркие, что их можно наблюдать даже с Земли спустя миллиарды лет. Эти потоки плазмы могут изменять целые галактики, выдувая из них вещество и влияя на рождение новых звёзд.

Поэтому каждое наблюдение открывают всё новые грани их природы, разрушая старые догмы и добавляя новые вопросы.

В лаборатории МФТИ

А вот учёные МФТИ пошли дальше простых наблюдений. Вместо того чтобы просто изучать джеты через телескопы, они решили воспроизвести их в лаборатории.

Для этого они использовали лазерную установку и медную мишень. Лазерный импульс длительностью в одну пикосекунду (одна триллионная доля секунды) был направлен на пятно диаметром всего 10 микрометров (примерно в 10 раз меньше толщины человеческого волоса).

Этот импульс создавал гигантскую энергию в малом объёме, что приводило к выбросу пучка протонов, которые двигаются почти со скоростью света.

И вот тут начинается самое интересное. Удалось выяснить, что ключевую роль в формировании этого пучка играет так называемая циклотронная неустойчивость. Это процесс, при котором заряженные частицы при попадании в магнитное поле, начинают вращаться по спирали.

Эти движения создают дополнительные токи, которые усиливают магнитное поле, и система начинает «сворачиваться» сама на себя. В итоге пучок протонов становится узким и стабильным — это похоже на природные космические джеты.

С помощью этих экспериментов учёные не только воспроизвели поведение джетов, но и предложили теоретическую модель, которая бы объяснила формирование таких пучков.

Ключевым элементом модели стали тороидальные вихри с плазменные образования в виде колец, которые разделяют плазменную струю на отдельные сегменты.

Почему это важно?

Но зачем воспроизводить джеты в лаборатории? Разве в космосе их не достаточно? Ответ прост: чтобы понять, как они работают, и применить это знание в других областях.

Как минимум, благодаря этому эксперименту мы лучше понимаем, как ведёт себя плазма в экстремальных условиях. Это важно для моделирования процессов вблизи чёрных дыр, квазаров и нейтронных звёзд (и даже молодых звездных систем).

Ну а управление плазмой — ключ к энергетике будущего и созданию термоядерных реакторов. И способность формировать узкие пучки частиц открывает новые возможности для контроля термоядерного синтеза.

А ещё в будущем управление потоками плазмы может быть использовано в космических двигателях, что даст возможность создавать новые типы двигателей для космических кораблей. Так мы сможем летать с помощью принципов ускорения частиц, а не просто на бочке с топливом.

И кстати, методы, которые применяются в эксперименте, похожи на технологии ускорителей частиц, которые используются в онкологии.

Новые знания могут сделать такие технологии точнее и эффективнее. Это ли не здорово?

Так что даже явления, которые кажутся доступными только астрономам, можно изучать и на Земле.

За горизонтом

В общем, космические джеты — это не только красиво. Это уникальные физические системы, которые могут рассказать нам о работе чёрных дыр и о том, как устроена Вселенная. А благодаря учёным из МФТИ, мы теперь понимаем их чуть лучше.

Более того, технологии, которые разрабатываются на основе этих знаний, могут изменить наш мир.

Может быть, это шаг в будущее, где мы сможем управлять плазмой, лечить рак и разрабатывать космические двигатели нового поколения. Всё это начинается с маленького лазерного импульса и крошечной медной мишени.

И кто знает, какие ещё открытия ждут нас за горизонтом этого луча.