Исследователи из Института лазерной инженерии Университета Осаки успешно использовали короткие, но чрезвычайно мощные лазерные импульсы для создания пересоединения магнитного поля внутри плазмы. Эта работа может привести к созданию более полной теории рентгеновского излучения астрономических объектов — например, черных дыр. Исследование опубликовано в журнале Physical Review E.
Помимо воздействия экстремальных гравитационных сил, материя, пожираемая черной дырой, также может подвергаться ударам благодаря сильным тепловым и магнитным полям. Плазма, четвертое состояние материи, состоит из электрически заряженных протонов и электронов, у которых слишком много энергии для образования нейтральных атомов. Вместо этого они двигаются в ответ на магнитные поля. Магнитное пересоединение — это процесс, в котором скрученные силовые линии магнитного поля внезапно «ломаются» и нейтрализуют друг друга, что приводит к быстрому преобразованию магнитной энергии в кинетическую энергию частицы. Такой процесс происходит в черных дырах. В звездах, в том числе и на нашем Солнце, пересоединение отвечает за большую часть корональной активности, например, за солнечные вспышки. Из-за сильного ускорения заряженные частицы в аккреционном диске черной дыры излучают собственный свет, обычно в рентгеновской области спектра.
Чтобы лучше понять процесс, который вызывает наблюдаемые рентгеновские лучи, исходящие от черных дыр , ученые из Университета Осаки использовали интенсивные лазерные импульсы, чтобы воссоздать эти экстремальные условия в лаборатории. «Мы смогли изучить высокоэнергетическое ускорение электронов и протонов в результате релятивистского магнитного пересоединения», — объясняет старший автор Синсуке Фудзиока. «Например, можно лучше понять происхождение излучения знаменитой черной дыры Лебедь X-1».
Однако такой уровень интенсивности света получить нелегко. На короткое мгновение лазеру треуется два петаватта мощности, что в тысячу раз больше, чем потребляемая мощность всего земного шара. С помощью лазера LFEX команда смогла достичь пикового магнитного поля с показателями в 2000 Тесла. Для сравнения: магнитные поля, генерируемые аппаратом МРТ для получения диагностических изображений, обычно составляют около 3 тесла, а магнитное поле Земли составляет ничтожные 0,00005 тесла. Частицы плазмы ускоряются до такой степени, что необходимо учитывать релятивистские эффекты.
«Раньше релятивистское магнитное пересоединение можно было изучать только с помощью численного моделирования на суперкомпьютере. Теперь это экспериментальная реальность в лаборатории с мощными лазерами», — говорит первый автор Кинг Фай Фарли Лоу. Исследователи считают, что этот проект поможет лучше понять астрофизические процессы, которые могут происходить в объектах Вселенной с экстремальными магнитными полями.
