Загадочные лучи, которые пробивают космос, тянутся на тысячи световых лет. Это космические джеты — феномен, который остаётся одной из самых сложных загадок Вселенной. Как они формируются, что придаёт им такую колоссальную энергию, и почему их изучение важно не только для астрофизиков, но и для нашего будущего на Земле?
Космос всегда умел удивлять. Один из самых интригующих феноменов — это космические джеты, мощные и огромные.
Недавно российские физики из Московского физико-технического института (МФТИ) воссоздали миниатюрный джет прямо в лаборатории. Как это работает и зачем это нужно — рассказываем по порядку.
Что такое космические джеты?
Космические джеты — это мощные плазменные струи, которые выбрасываются из окрестностей чёрных дыр, нейтронных звёзд и квазаров. Только представьте себе поток частиц, который разгоняется почти до скорости света и растягивающийся на тысячи световых лет.
Джеты ещё называют релятивистскими струями илиполярными струйными течениями
Boston University / Cosmovision
Джеты буквально прошивают пространство, и их можно зафиксировать с помощью радиотелескопов и рентгеновских обсерваторий.
Но откуда они берутся? Всё начинается с аккреционного диска — это вращающийся «блин» из газа и пыли, который формируется вокруг массивного космического объекта, например, той же чёрной дыры. Под действием огромной гравитации вещество в диске ускоряется, трётся и нагревается до экстремальных температур.
Энергия не только излучается в виде света, но и создаёт условия для формирования джетов — расходящихся в противоположные стороны от центра диска струй.
nkj.ru
На самом деле джеты — это вызов здравому смыслу. Они ломают привычные представления о масштабе, скорости и мощи. Хотя казалось бы: всего-то струя частиц, которая несётся практически со скоростью света, при этом она настолько длинная, что могла бы связать несколько галактик…
А ещё они почти идеально направлены. Такие структуры наблюдаются даже за миллиарды световых лет от нас.
Джет в радиогалактике Лебедь А (600 млн световых лет от Земли). Яркий пример струй, которые вырывваются в межгалактическое пространство
Wikimedia Commons
Если вам кажется, что этого мало, то вот ещё один факт — они ещё могут оставаться стабильными на колоссальных расстояниях. Например, струя от чёрной дыры в галактике M87 достигает 5000 световых лет. Это настолько далеко, что свет от её начала и конца может приходить к нам с разницей в тысячи лет.
Ещё интереснее то, что такие джеты не просто выбрасываются наугад. Они излучают мощные радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение, которые и фиксируют наши телескопы.
Всё это помогает учёным изучать процессы, происходящие вблизи чёрных дыр.
Джет, выходящий из ядра галактики M87 (NGC 4486). Длина струи составляет около 20 угловых секунд (5000 световых лет). Причём галактика слишком далека, чтобы телескоп Хаббла мог различить отдельные звезды; яркие точки на изображении — это звездные скопления, каждое из которых, как предполагается, содержит несколько сотен тысяч звёзд
NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
А иногда джеты настолько яркие, что их можно наблюдать даже с Земли спустя миллиарды лет. Эти потоки плазмы могут изменять целые галактики, выдувая из них вещество и влияя на рождение новых звёзд.
Поэтому каждое наблюдение открывают всё новые грани их природы, разрушая старые догмы и добавляя новые вопросы.
В лаборатории МФТИ
А вот учёные МФТИ пошли дальше простых наблюдений. Вместо того чтобы просто изучать джеты через телескопы, они решили воспроизвести их в лаборатории.
Лазерная установка, установленная в ЦНИИмаш
МФТИ
Для этого они использовали лазерную установку и медную мишень. Лазерный импульс длительностью в одну пикосекунду (одна триллионная доля секунды) был направлен на пятно диаметром всего 10 микрометров (примерно в 10 раз меньше толщины человеческого волоса).
Этот импульс создавал гигантскую энергию в малом объёме, что приводило к выбросу пучка протонов, которые двигаются почти со скоростью света.
Схема проведения экспериментов, вакуумной камеры, измерительной аппаратуры и лазерного пучка
Астрономический журнал РАН
И вот тут начинается самое интересное. Удалось выяснить, что ключевую роль в формировании этого пучка играет так называемая циклотронная неустойчивость. Это процесс, при котором заряженные частицы при попадании в магнитное поле, начинают вращаться по спирали.
Нам удалось теоретически и экспериментально продемонстрировать, что развитие циклотронной неустойчивости с генерацией циклотронного излучения играет ключевую роль в ряде процессов в плазме с магнитным полем: самолокализации плазмы в виде солитонов, преобразовании вращательного движения плазмы в поступательное, циклотронном ускорении заряженных частиц, разделении (стратификации) плазменной струи на отдельные плазменные образования.
Владимир Крайнов
профессор кафедры теоретической физики им. Л.Д. Ландау МФТИ
Эти движения создают дополнительные токи, которые усиливают магнитное поле, и система начинает «сворачиваться» сама на себя. В итоге пучок протонов становится узким и стабильным — это похоже на природные космические джеты.
С помощью этих экспериментов учёные не только воспроизвели поведение джетов, но и предложили теоретическую модель, которая бы объяснила формирование таких пучков.
Космический джет с последовательностью тейлоровских вихрей
МФТИ
Ключевым элементом модели стали тороидальные вихри с плазменные образования в виде колец, которые разделяют плазменную струю на отдельные сегменты.
Почему это важно?
Но зачем воспроизводить джеты в лаборатории? Разве в космосе их не достаточно? Ответ прост: чтобы понять, как они работают, и применить это знание в других областях.
Как минимум, благодаря этому эксперименту мы лучше понимаем, как ведёт себя плазма в экстремальных условиях. Это важно для моделирования процессов вблизи чёрных дыр, квазаров и нейтронных звёзд (и даже молодых звездных систем).
Ну а управление плазмой — ключ к энергетике будущего и созданию термоядерных реакторов. И способность формировать узкие пучки частиц открывает новые возможности для контроля термоядерного синтеза.
Схема токамака ITER и интегрированных систем установки показывает сложность объекта ITER, который сейчас строится во Франции. Это — самая важная часть международного экспериментального термоядерного реактора
ITER
А ещё в будущем управление потоками плазмы может быть использовано в космических двигателях, что даст возможность создавать новые типы двигателей для космических кораблей. Так мы сможем летать с помощью принципов ускорения частиц, а не просто на бочке с топливом.
И кстати, методы, которые применяются в эксперименте, похожи на технологии ускорителей частиц, которые используются в онкологии.
Протонная терапия — это метод лечения рака, при котором узкие пучки протонов направляются на опухоль.
Новые знания могут сделать такие технологии точнее и эффективнее. Это ли не здорово?
Моделирование облучения пучком протонов на срезе рентгеновской томограммы
National Cancer Institute
Так что даже явления, которые кажутся доступными только астрономам, можно изучать и на Земле.
За горизонтом
В общем, космические джеты — это не только красиво. Это уникальные физические системы, которые могут рассказать нам о работе чёрных дыр и о том, как устроена Вселенная. А благодаря учёным из МФТИ, мы теперь понимаем их чуть лучше.
Более того, технологии, которые разрабатываются на основе этих знаний, могут изменить наш мир.
ferra.ru
Может быть, это шаг в будущее, где мы сможем управлять плазмой, лечить рак и разрабатывать космические двигатели нового поколения. Всё это начинается с маленького лазерного импульса и крошечной медной мишени.
И кто знает, какие ещё открытия ждут нас за горизонтом этого луча.