В сердце активной галактики находится сверхмассивная черная дыра, поглощающая окружающий материал. В одной из десяти таких галактик черная дыра также выбрасывает струи материи с почти световой скоростью. Эти струи, как предполагается, содержат плазму из электронов и их антиматерийных эквивалентов — позитронов.
Релятивистская электронно-позитронная плазма формирует динамику и энергетический бюджет черной дыры и ее окружения, но точные механизмы этого процесса остаются малоизученными. Измерение такой плазмы астрономическими методами и ее моделирование — задачи чрезвычайно сложные.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Чарльз Эрроусмит и его коллеги из коллаборации Fireball описывают, как они использовали установку HiRadMat в ЦЕРНе для создания релятивистского пучка электронно-позитронной плазмы, что позволяет детально исследовать эту среду в лабораторных условиях.
Релятивистские пучки электронно-позитронных пар можно создавать в различных лабораториях, включая мощные лазерные установки, однако ни один из существующих методов не производит достаточного количества пар для поддержания плазмы. Без этого исследователи не могут изучить, как эти аналоги струй черных дыр взаимодействуют с лабораторным эквивалентом межзвездной среды — ключевой момент для объяснения наблюдений телескопов.
Эрроусмит и его команда нашли способ выполнить эти требования на HiRadMat. Они использовали триста миллиардов протонов из суперпротонного синхротрона ЦЕРНа, направленных на мишень из графита и тантала, где каскад взаимодействий генерировал огромное количество пар электрон-позитрон.
Измерив полученный релятивистский пучок и сравнив результаты с компьютерным моделированием, Эрроусмит и его коллеги показали, что число пар в пучке — более десяти триллионов — в десять-сто раз превышает предыдущие результаты, впервые достигнув уровня, необходимого для поддержания плазмы.
Следующим шагом в исследованиях плазмы станет наблюдение за распространением мощных струй через метровую плазму и их взаимодействие, генерирующее магнитные поля, ускоряющие частицы в струях — одна из главных загадок астрофизики высоких энергий.