Как известно, сверхмассивная черная дыра в сердце галактики поглощает вещество из своего окружения. Примерно в одной из десяти галактик черная дыра также выбрасывает струи материи со скоростью, близкой к скорости света. Считается, что такие релятивистские струи содержат, помимо прочих компонентов, плазму из пар электронов и их эквивалентов антиматерии - позитронов.

По мнению ученых, что эта релятивистская электрон-позитронная плазма определяет динамику и запас энергии черной дыры и ее окружения. Но как именно, остается малопонятным, поскольку плазму сложно как исследовать с помощью астрономических наблюдений, так и смоделировать с помощью компьютерных программ.

В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Чарльз Эрроусмит и его коллеги из коллаборации Fireball сообщают, как они использовали установку HiRadMat в CERN для получения релятивистского пучка электрон-позитронной плазмы, который позволяет детально изучать эту среду в лабораторных экспериментах.

Релятивистские пучки электрон-позитронных пар могут быть созданы несколькими способами в лабораториях разных типов, включая мощные лазерные установки. Однако ни один из существующих способов не может создать такое количество электрон-позитронных пар, которое необходимо для поддержания плазмы. Без удержания плазмы исследователи не могут изучить, как изменяются аналоги струй черных дыр при их движении через лабораторный аналог межзвездной среды. Это исследование является ключевым для объяснения наблюдений наземных и космических телескопов.

Эрроусмит и его коллеги извлекли за наносекунду триста миллиардов протонов из суперпротонного синхротрона лаборатории и облучили ими мишень из графита и тантала, в которой в результате каскада взаимодействий частиц образовалось огромное количество электрон-позитронных пар.

Измерив необходимые характеристики релятивистского электрон-позитронного пучка с помощью набора приборов и сравнив результат со сложным компьютерным моделированием, Эрроусмит и соавторы показали, что количество электрон-позитронных пар в пучке - более десяти триллионов - в десять-сто раз превышает ранее достигнутое, впервые превысив число, необходимое для поддержания состояния плазмы.

"Считается, что электрон-позитронная плазма играет фундаментальную роль в астрофизических струях, но компьютерное моделирование этих плазм и струй никогда не проверялось в лаборатории", - говорит Эрроусмит. "Лабораторные эксперименты необходимы для проверки симуляций, потому что кажущиеся разумными упрощения расчетов, используемых в симуляциях, иногда приводят к кардинально противоположным выводам".

Полученный результат - первый из серии экспериментов, которые коллаборация Fireball проводит в HiRadMat.

"Основная идея этих экспериментов - воспроизвести в лаборатории микрофизику астрофизических явлений, таких как струи из черных дыр и нейтронных звезд", - говорит соавтор статьи и ведущий исследователь Джанлука Грегори (Gianluca Gregori). "То, что мы знаем об этих явлениях, получено почти исключительно из астрономических наблюдений и компьютерных симуляций, но телескопы не могут реально исследовать микрофизику, а симуляции содержат приближения. Лабораторные эксперименты, подобные этим, являются связующим звеном между этими двумя подходами".

Следующим экспериментом Эрроусмита и его коллег в HiRadMat станет исследование прохождения этих мощных струй через плазму длиной в метр и наблюдение за тем, как взаимодействие между ними создает магнитные поля, ускоряющие частицы в струях - одна из величайших загадок астрофизики высоких энергий.