Як фізики відтворили в лабораторії енергію блазарів - надмасивних чорних дір

Експеримент провели на прискорювачі Super Proton Synchrotron у ЦЕРНі, а результати опубліковані в журналі PNAS, повідомляє University of Oxford.

Головна мета дослідження - розгадати давню астрономічну загадку: чому частина гамма-випромінювання, що виходить від галактик-блазарів, "губиться" в космосі, не досягаючи детекторів на Землі.

Блазари - це надмасивні чорні діри, які випускають вузькі потоки частинок і випромінювання зі швидкістю, близькою до світлової. Ці струмені виробляють потужні гамма-промені, вимірювані в тераелектронвольтах. Однак, за розрахунками, під час зіткнення таких променів із розсіяним світлом зірок мають виникати каскади електронно-позитронних пар, які, взаємодіючи з реліктовим мікрохвильовим випромінюванням, створюють м'якші гамма-промені. Саме ці вторинні промені телескопи на кшталт Fermi не фіксують.

Існувало дві гіпотези. Перша: частинки відхиляються під дією слабких міжгалактичних магнітних полів, тому випромінювання "йде" з нашого поля зору. Друга - що самі потоки стають нестабільними, втрачаючи енергію під час руху через міжгалактичну плазму.

Щоб перевірити другу теорію, фізики з Оксфорда і Центру лазерних досліджень STFC створили в установці HiRadMat (High-Radiation to Materials) при ЦЕРНі модельний аналог цього процесу. За допомогою прискорювача їм вдалося отримати потік електронів і позитронів, що проходить через метрову камеру, заповнену плазмою. Це дало змогу відтворити в мініатюрі явище, що відбувається на гігантських астрономічних масштабах.

Згідно зі спостереженнями, пучок частинок залишався стабільним і майже не створював власних магнітних полів. Це означає, що плазмові нестійкості занадто слабкі, щоб пояснити зникнення гамма-променів. Отже, більш імовірним поясненням залишається існування слабкого міжгалактичного магнітного поля, яке, можливо, є реліктом раннього Всесвіту.

"Наш експеримент показує, як лабораторна астрофізика може з'єднати теорію і спостереження, допомагаючи зрозуміти процеси, що відбуваються на колосальних відстанях", - пояснив керівник проєкту професор Джанлука Грегорі з Оксфорда. - "Це приклад того, як співпраця провідних наукових центрів відкриває шлях до дослідження екстремальних фізичних режимів".

Колега за проєктом, професор Боб Бінгем з Університету Стратклайда, додав: "Створюючи в лабораторії аналоги релятивістських плазм, ми можемо безпосередньо вивчати механізми формування космічних магнітних полів і динаміку струменів, що виходять із чорних дір".

Вчені зазначають, що їхні результати не тільки наблизили розгадку природи міжгалактичних полів, а й породили нові запитання. Наприклад, як саме в молодому, однорідному Всесвіті могли виникнути ці магнітні структури. Можливо, відповідь прихована у фізиці, що виходить за рамки Стандартної моделі.