Как физики воссоздали в лаборатории энергию блазаров — сверхмассивных чёрных дыр

Эксперимент провели на ускорителе Super Proton Synchrotron в ЦЕРНе, а результаты опубликованы в журнале PNAS, сообщает University of Oxford.

Главная цель исследования — разгадать давнюю астрономическую загадку: почему часть гамма-излучения, исходящего от галактик-блазаров, «теряется» в космосе, не достигая детекторов на Земле.

Блазары — это сверхмассивные чёрные дыры, которые испускают узкие потоки частиц и излучения со скоростью, близкой к световой. Эти струи производят мощные гамма-лучи, измеряемые в тераэлектронвольтах. Однако, по расчётам, при столкновении таких лучей с рассеянным светом звёзд должны возникать каскады электронно-позитронных пар, которые, взаимодействуя с реликтовым микроволновым излучением, создают более мягкие гамма-лучи. Именно эти вторичные лучи телескопы вроде Fermi не фиксируют.

Существовало две гипотезы. Первая: частицы отклоняются под действием слабых межгалактических магнитных полей, поэтому излучение «уходит» из нашего поля зрения. Вторая — что сами потоки становятся нестабильными, теряя энергию при движении через межгалактическую плазму.

Чтобы проверить вторую теорию, физики из Оксфорда и Центра лазерных исследований STFC создали в установке HiRadMat (High-Radiation to Materials) при ЦЕРНе модельный аналог этого процесса. С помощью ускорителя им удалось получить поток электронов и позитронов, проходящий через метровую камеру, заполненную плазмой. Это позволило воспроизвести в миниатюре явление, происходящее на гигантских астрономических масштабах.

Согласно наблюдениям, пучок частиц оставался стабильным и почти не создавал собственных магнитных полей. Это значит, что плазменные неустойчивости слишком слабы, чтобы объяснить исчезновение гамма-лучей. Следовательно, более вероятным объяснением остаётся существование слабого межгалактического магнитного поля, которое, возможно, является реликтом ранней Вселенной.

«Наш эксперимент показывает, как лабораторная астрофизика может соединить теорию и наблюдения, помогая понять процессы, происходящие на колоссальных расстояниях», — пояснил руководитель проекта профессор Джанлука Грегори из Оксфорда. — «Это пример того, как сотрудничество ведущих научных центров открывает путь к исследованию экстремальных физических режимов».

Коллега по проекту, профессор Боб Бингем из Университета Стратклайда, добавил: «Создавая в лаборатории аналоги релятивистских плазм, мы можем напрямую изучать механизмы формирования космических магнитных полей и динамику струй, исходящих из чёрных дыр».

Учёные отмечают, что их результаты не только приблизили разгадку природы межгалактических полей, но и породили новые вопросы. Например, как именно в молодой, однородной Вселенной могли возникнуть эти магнитные структуры. Возможно, ответ скрыт в физике, выходящей за рамки Стандартной модели.