Аккреционный диск черной дыры воссоздали без стенок в лаборатории

Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически.

Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование.

Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения.

Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра.

Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме.

Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол.

В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества.

Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.