Прилетит — не прилетит? Джеты чёрных дыр играют в лотерею с космосом

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.

Чёрные дыры и их световые струи

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.

Таблица: две гипотезы происхождения расхождения наблюдений

Лабораторная Вселенная

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.

Почему это открытие важно

Этот эксперимент стал одним из первых случаев, когда процессы, происходящие в масштабах галактик, удалось смоделировать на Земле. Он показал, что:

1. Джеты сверхмассивных чёрных дыр стабильны на астрономических расстояниях.

2. Межгалактическое магнитное поле реально существует, хоть и крайне слабое — около одной триллионной доли силы магнитного поля Земли.

3. Плазменные эксперименты на ускорителях становятся новым инструментом космологии.

Мифы и правда

• 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.

Интересные факты

1. Энергия частиц в джетах блазаров может превышать энергию ускоренных частиц в ЦЕРНе в триллионы раз.

2. Межгалактическое магнитное поле, вероятно, возникло вскоре после Большого взрыва и до сих пор влияет на распространение космических лучей.

3. Подобные плазменные эксперименты в будущем могут помочь моделировать даже процессы вблизи горизонта событий чёрных дыр.

Значение для астрофизики

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.