Laboratóriumban sikerült plazmasugarat létrehozni

A szupermasszív fekete lyukak plazmasugarait mesterségesen is rekreálták, a kísérlet pedig váratlan új felfedezéshez vezetett.

Egy protonsugarakkal végzett kísérlet a plazma és a mágneses mezők kölcsönhatásának vizsgálatára talán éppen megfejtette azt a rejtélyt, hogy a kvazárok és más aktív szupermasszív fekete lyukak hogyan engedik szabadjára relativisztikus plazmasugaraikat.

Mi történik a kvazárok belsejében?

Egy szupermasszív fekete lyuk a napunk tömegének talán százmilliószorosát is eléri, és felfalja azt az anyagot, amely egy spirálisan forgó, ultraforró korongból áramlik a szájába. Ezt a töltött anyagot plazmának nevezik, és gravitációsan beszivárog a fekete lyuk környezetébe.

Azonban a fekete lyuk nem nyeli el az ionizált vagy villamosított, elektronoktól levágott atomokból álló plazmát. Valójában a fekete lyuk többet harap, mint amennyit meg tud rágni, és a plazma egy része a fekete lyuk erős mágneses tere által kollimált sugárban kilökődik, mielőtt a plazma az eseményhorizont közelébe kerülne.

Ezek a plazmasugarak több ezer fényévnyire képesek kinyúlni az űrbe. A tudósok azonban nem magyarázták meg a fizikát, amely a sugár alapjában zajlik, ahol keletkeznek. A választ a New Jersey-i Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kutatóitól viszont megkaphatták, akiknek sikerült kidolgozniuk a protonradiográfiának nevezett plazmamérési technika módosítását.

Plazmasugár házilag

Kísérletükben a kutatók először nagy energiasűrűségű plazmát hoztak létre úgy, hogy egy impulzusos, 20 joule-os lézersugarat egy műanyag célpontra lőttek ki. Ezután erős lézereket használtak a magfúzió elindítására egy deutériummal (hidrogén-2) és hélium-3-mal töltött üzemanyag-kapszulában. A fúziós reakciók protonkitöréseket és röntgensugarakat bocsátottak ki.

Ezek a protonok és a röntgensugarak aztán áthaladtak egy apró lyukakkal teli nikkelhálón. Úgy képzeld el a hálót, mint a nokedliszaggatást; a protonokat sok különálló nyalábba osztják, amelyek segítségével aztán meg tudják mérni, hogy a táguló plazmasugár hogyan lép kölcsönhatásba a háttér mágneses mezőjével.

Mivel a protonok elektronikusan töltöttek, követni fogják a mágneses erővonalakat, ahogy a plazmasugár rájuk csapódik. A röntgensugár ellenőrzőként működik – mivel a röntgensugarak tisztán haladnak át a hálón és a mágneses mezőn, így torzításmentes képet adnak a plazmáról, összehasonlítva a protonnyaláb méréseivel.

„Kísérletünk egyedülálló volt, mert közvetlenül láttuk a mágneses mező változását az idő múlásával” – mondta Will Fox, a kísérlet vezető kutatója a Live Science-nek. „Közvetlenül megfigyelhettük, hogyan tolódik ki a mező, és hogyan reagál a plazmára egyfajta kötélhúzás során.”

A mágneses erővonalakra is hatással van

Részletesen megfigyelték, hogy a táguló plazmából nyomás hatására kifelé hajlik a mágneses tér, miközben a plazma a mágneses erővonalakhoz csapódik. A plazmának ezt a bugyborékolása és habzása olyan formákat hozott létre a mágneses térben, amelyek örvényekhez és gombákhoz hasonlítanak. A plazma energiájának csökkenésével a mágneses erővonalak vissza tudtak pattanni. Ez a plazmát egy egyenes, keskeny oszlopba tömörítette, egy kvazár relativisztikus sugárhoz hasonlóan.

„Amikor elvégeztük a kísérletet és elemeztük az adatokat, rájöttünk, hogy valami nagy dolog van” – mondta Sophia Malko, a PPPL munkatársa. „A plazma és a mágneses mezők kölcsönhatásából adódó magneto-Rayleigh Taylor instabilitások megfigyeléséről régóta azt hitték, hogy előfordulnak, de eddig soha nem figyelték meg közvetlenül. Ez a megfigyelés segít megerősíteni, hogy ez az instabilitás akkor következik be, amikor a táguló plazma találkozik a mágneses mezőkkel.”

Nagy lyukat tömhet be a felfedezés a tudományban

A kísérlet határozottan jelzi, hogy a kvazárok plazmasugarai a mágneses mezőknek a táguló plazmára való effajta reakciójának köszönhetik létrejöttüket. Az eredmények azt jelenthetik, hogy a fekete lyuk akkréciós korongjában a körülmények olyan intenzívekké válnak, hogy a korongban lévő plazma képes rányomni a szorosan tömött mágneses erővonalakat. Ha igaz, ez egy hatalmas hiányzó darab lehet az aktív fekete lyukak működését bemutató képünkből.

„Most, hogy nagyon pontosan megmértük ezeket az instabilitásokat, rendelkezésünkre áll az információ, amelyre szükségünk van ahhoz, hogy javítsuk modelljeinket, és potenciálisan az asztrofizikai sugarakat a korábbinál magasabb fokon szimulálhassuk és megértsük” – mondta Malko. „Érdekes, hogy az emberek olyan dolgokat tudnak készíteni egy laboratóriumban, ami általában az űrben létezik.”

Ez is érdekelhet:

• A tudósok szerint a Tejútrendszer már össze is érhetett az Androméda-galaxissal
• A Naprendszer legnagyobb holdját 20-szor nagyobb aszteroida találta el, mint amely kiirtotta a dinoszauruszokat