Сверхмассивные чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Мы знаем, что они могут весить миллиарды масс Солнца и излучать мощнейшие потоки энергии, но до сих пор не понимали, как формируются их релятивистские струи — джеты, способные прорываться через тысячи световых лет космоса. Теперь ответ, возможно, найден. И он пришёл не из глубин космоса, а из подземных лабораторий ЦЕРНа.
Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало: эксперименты с плазмой на ускорителе частиц Super Proton Synchrotron (SPS) проливают свет на природу джетов, исходящих из активных галактических ядер и блазаров.
Активные сверхмассивные чёрные дыры втягивают в себя газ и пыль, создавая аккреционные диски, температура которых достигает миллионов градусов. При этом часть энергии выбрасывается наружу в виде узких потоков частиц — релятивистских джетов, двигающихся почти со скоростью света. Когда один из таких джетов направлен прямо на Землю, мы наблюдаем объект, называемый блазаром.
Эти струи излучают гамма-лучи с экстремальной энергией, которые взаимодействуют с другими фотонами и порождают каскад электронно-позитронных пар. Теоретически, эти пары должны создавать вторичное излучение, взаимодействуя с реликтовым микроволновым фоном — эхом Большого взрыва. Но астрономы так и не наблюдали этого эффекта, что породило две конкурирующие гипотезы.
| Гипотеза | Суть механизма | Последствие для наблюдений | Проверка в эксперименте |
| 1. Нестабильность джета | Поток частиц теряет энергию из-за внутренней турбулентности и столкновений | Гамма-излучение ослабевает и не доходит до наблюдателя | Не подтвердилась — пучки в лаборатории остались стабильными |
| 2. Магнитное отклонение | Слабое межгалактическое магнитное поле рассеивает пары электрон-позитрон | Вторичное излучение рассеивается и уходит из прямой видимости | Подтверждена экспериментом ЦЕРНа — пучки сохраняют стабильность |
Чтобы проверить эти идеи, физики использовали суперпротонный синхротрон ЦЕРНа — один из самых мощных ускорителей в мире. В ходе эксперимента были созданы электронно-позитронные пучки, движущиеся в плазме. Это позволило воспроизвести условия, похожие на происходящие вблизи джетов чёрных дыр.
Результаты оказались поразительно ясными: пучки оставались узкими и стабильными, не проявляя признаков разрушения или рассеивания. Это означает, что джеты в реальных галактиках действительно могут сохранять свою структуру на протяжении тысяч световых лет, а пропавшее гамма-излучение объясняется действием сверхслабого межгалактического магнитного поля — реликта ранней Вселенной.
"Наше исследование демонстрирует, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдениями", — заявил профессор Джанлука Грегори из Оксфорда.
Этот эксперимент стал одним из первых случаев, когда процессы, происходящие в масштабах галактик, удалось смоделировать на Земле. Он показал, что:
Джеты сверхмассивных чёрных дыр стабильны на астрономических расстояниях.
Межгалактическое магнитное поле реально существует, хоть и крайне слабое — около одной триллионной доли силы магнитного поля Земли.
Плазменные эксперименты на ускорителях становятся новым инструментом космологии.
Миф: чёрные дыры полностью поглощают всё, включая свет.
Правда: активно питающиеся чёрные дыры излучают мощные джеты, видимые на миллиарды световых лет.
Миф: лабораторные эксперименты не могут воспроизводить космические явления.
Правда: эксперименты ЦЕРНа показали, что даже экстремальные процессы можно моделировать в плазменных условиях.
Миф: отсутствие слабого гамма-излучения — ошибка наблюдений.
Правда: теперь ясно, что его рассеивает межгалактическое магнитное поле.
Энергия частиц в джетах блазаров может превышать энергию ускоренных частиц в ЦЕРНе в триллионы раз.
Межгалактическое магнитное поле, вероятно, возникло вскоре после Большого взрыва и до сих пор влияет на распространение космических лучей.
Подобные плазменные эксперименты в будущем могут помочь моделировать даже процессы вблизи горизонта событий чёрных дыр.
Исследование ЦЕРНа доказало: земные ускорители могут стать лабораторией для проверки космических теорий. Это открывает новое направление — экспериментальная астрофизика высоких энергий, объединяющая физику частиц и наблюдательную космологию. В ближайшие годы аналогичные эксперименты помогут уточнить происхождение магнитных полей Вселенной и проверить модели эволюции чёрных дыр.