Ученые воссоздали диск черной дыры в лаборатории: зачем

Это поможет им понять не только процесс увеличения черных дыр, но и то, как коллапсируют газовые облака, создавая звезды
«Горизонт событий» увидел границу на внешнем краю черной дыры. На этой визуализации можно заметить турбулентный газовый диск, клубящийся вокруг космического объекта. Фото: NASA
«Горизонт событий» увидел границу на внешнем краю черной дыры. На этой визуализации можно заметить турбулентный газовый диск, клубящийся вокруг космического объекта. Фото: NASA

Ученые воссоздали окружение черной дыры в лаборатории, создав вращающийся диск плазмы.

Кольцо перегретого газа — имитация вещества, обтекающего черные дыры в районе аккреционных дисков. Они подают вещество к черным дырам.

Этот эксперимент, проведенный исследователями Имперского колледжа Лондона, поможет ответить на вопрос о том, как растут черные дыры, поглощая окружающую энергию. 

По словам ведущего автора научной работы, понимание работы аккреционных дисков поможет понять не только процесс увеличения черных дыр, но и то, как коллапсируют газовые облака, создавая звезды. И даже, как могли бы люди создавать подобные объекты в экспериментах с термоядерным синтезом.

Иллюстрация оборудования, используемого для имитации диска вокруг черной дыры (слева). Изображение вращающейся плазмы по краям черной дыры — справа. Фото: Имперский колледж Лондона
Иллюстрация оборудования, используемого для имитации диска вокруг черной дыры (слева). Изображение вращающейся плазмы по краям черной дыры — справа. Фото: Имперский колледж Лондона

Как возникает акреционный диск?

Впервые получить четкое изображение черной дыры удалось телескопу «Горизонт событий». Большую часть изображения занимает светящееся оранжевое кольцо плазмы, окружающее дыру.

Этот круг возникает, когда материя притягивается к черной дыре. Ее гравитационное влияние создает турбулентные условия, нагревая газ и отбирая электроны у составляющих его атомов. 

Так газ превращается в плазму, а она образует аккреционный диск. Он удерживается на месте засчет направленной наружу центробежной силы, создаваемой его вращением, и направленной внутрь силы тяжести. 

Стабильность иногда нарушается. Тогда составляющие диска падают на поверхность черной дыры. Это знание помогает в изучении черных дыр — теперь мы понимаем, что они не могут расти без накопления какого-то количества материала. 

Разумеется, ученые не могут воссоздать черную дыру, подобную М87, чья масса в 4,5 миллиарда раз превышает массу солнца. Поэтому лучшее, что они могут сделать для изучения природы этих космических объектов, — воссоздать плазму, вращающуюся вокруг них. 

Как проходил эксперимент?

Для этого они использовали мегаамперный генератор, запустивший вращение плазмы и создавший копию аккреционного диска. Чтобы это сделать, исследователи разогнали восемь плазменных струй, столкнули их и получили вращающийся столб. Они обнаружили, что плазма быстрее двигалась во внутренних областях столба — это важная характеристика аккреционных дисков.

Важно понимать, что этот эксперимент — лишь доказательство используемой ими концепции. Поскольку генератор может создавать лишь короткие плазменные импульсы, наблюдение ученых ограничено лишь одним полным оборотом диска. Повторение опыта с более длительными импульсами плазмы должно помочь команде лучше изучить аккреционные диски.

Предполагается, что нестабильность в этих плазменных кругах образуется магнитными полями, вызывающими трение. Из-за них возникает потеря энергии в веществе и его аккреция к поверхности черных дыр. Имей исследователи более длительные плазменные импульсы в лаборатории, они бы смогли ввести в опыт магнитные поля и протестировать модель этого механизма.

Подобные эксперименты, вкупе с информацией, получаемой с помощью телескопа «Горизонт событий», позволят ученым проверить их теории относительно принципов работы черных дыр. Напомним, ранее мы рассказывали о том, куда исчезли звезды, вращающиеся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. 

Автор: Сергей Ульянов