هنگامی که آزمایش را انجام دادیم و داده ها را تجزیه و تحلیل کردیم، متوجه شدیم که چیز بزرگی داریم.
آزمایشی با استفاده از پرتوهای پروتون برای بررسی چگونگی برهمکنش میدانهای مغناطیسی و پلاسما ممکن است معمای چگونگی رها کردن جتهای نسبیتی خود توسط اختروشها و دیگر سیاهچالههای پرجرم فعال را حل کند.
بیایید صحنه ای را در قلب یک کوازار به تصویر بکشیم. یک سیاهچاله بسیار پرجرم، شاید صدها میلیون – یا حتی میلیاردها – برابر جرم خورشید ما، به شدت در حال بلعیدن موادی است که از یک دیسک مارپیچی و فوق داغ به درون مغز خود جریان دارد. این ماده باردار پلاسما نامیده میشود و بهصورت گرانشی به محیط اطراف سیاهچاله کشیده میشود – با این حال، تمام پلاسما، که از اتمهای یونیزه یا برقدار شده از الکترونها ساخته شده است، توسط سیاهچاله بلعیده نمیشود. در واقع، سیاهچاله بیش از آن که بتواند بجود گاز میگیرد و مقداری از پلاسما در فوارههایی که توسط میدان مغناطیسی قدرتمند سیاهچاله هماهنگ شدهاند، قبل از اینکه پلاسما به نقطهای نزدیک به افق رویداد برسد، به بیرون پرتاب میشود.
این جت ها می توانند هزاران سال نوری در فضا امتداد پیدا کنند. با این حال، توضیح فیزیک که در پایه جت، جایی که آنها شکل میگیرند، دانشمندان را دور زده است.
پاسخ ممکن است از سوی محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) در نیوجرسی آمده باشد، که توانستند اصلاحی در تکنیک اندازه گیری پلاسما به نام رادیوگرافی پروتون ابداع کنند.
در آزمایش خود، محققان ابتدا یک پلاسمای با چگالی پرانرژی را با شلیک یک پرتو لیزر پالسی ۲۰ ژول به سمت یک هدف پلاستیکی ایجاد کردند. سپس، آنها از لیزرهای قدرتمند برای تحریک همجوشی هسته ای در یک کپسول سوخت پر از دوتریوم و هلیوم-۳ استفاده کردند. واکنش های همجوشی، انفجارهای پروتون و اشعه ایکس را آزاد کردند.
این پروتون ها و اشعه ایکس سپس از یک شبکه نیکل پر از سوراخ های کوچک عبور کردند. توری را مانند یک آبکش برای صاف کردن پاستا در نظر بگیرید. پروتونها را به پرتوهای گسسته زیادی تبدیل میکند که سپس میتواند نحوه تعامل توده پلاسمای در حال انبساط را با میدان مغناطیسی پسزمینه اندازهگیری کند. از آنجایی که پروتونها باردار هستند، خطوط میدان مغناطیسی را دنبال میکنند، زیرا توسط پلاسما برخورد میکنند. انفجار پرتو ایکس به عنوان یک بررسی عمل می کند – چون اشعه ایکس به طور تمیز از شبکه و میدان مغناطیسی عبور می کند، تصویری بدون تحریف از پلاسما برای مقایسه با اندازه گیری های پرتو پروتون ارائه می دهد.
ویل فاکس، محقق اصلی این آزمایش، در بیانیه ای گفت: آزمایش ما منحصر به فرد بود زیرا می توانستیم مستقیماً تغییر میدان مغناطیسی را در طول زمان ببینیم. ما میتوانیم مستقیماً مشاهده کنیم که چگونه میدان به بیرون رانده میشود و در نوعی طناب کشی به پلاسما واکنش نشان میدهد.
آنها به طور دقیق میدان مغناطیسی را مشاهده کردند که تحت فشار پلاسما در حال انبساط به بیرون خم می شود و پلاسما در برابر خطوط میدان مغناطیسی قرار می گیرد. این حباب و کف کردن پلاسما به عنوان ناپایداری مگنتو-ریلی تیلور شناخته می شود و اشکالی را در میدان مغناطیسی ایجاد می کند که شبیه گرداب و قارچ هستند. مهمتر از همه، با کاهش انرژی پلاسما، خطوط میدان مغناطیسی توانستند به عقب برگردند. این پلاسما را به یک ستون مستقیم و باریک فشرده کرد که بی شباهت به جت نسبیتی اختروش نیست.
سوفیا مالکو از PPPL می گوید: وقتی آزمایش را انجام دادیم و داده ها را تجزیه و تحلیل کردیم، متوجه شدیم که چیز بزرگی داریم. مدتها تصور میشد که مشاهده ناپایداریهای مغناطیسی-ریلی تیلور ناشی از برهمکنش پلاسما و میدانهای مغناطیسی رخ میدهد، اما تا به حال هرگز مستقیماً مشاهده نشده بود.
این آزمایش قویاً نشان میدهد که جتهای اختروش میتوانند از این نوع واکنش میدانهای مغناطیسی به پلاسمای در حال انبساط برای ایجادشان تشکر کنند. اگر نتایج یک عکس فوری از آنچه در اطراف سیاهچالههای فعال اتفاق میافتد باشد، به این معنی است که در قرص برافزایش سیاهچاله، شرایط آنقدر شدید میشود که پلاسمای موجود در دیسک میتواند به خطوط میدان مغناطیسی فشرده فشار بیاورد، که میتواند سپس به عقب برگردید و پلاسما را به یک ستون باریک فشار دهید و تقریباً آن را از سیاهچاله دور کنید. اگر درست باشد، ممکن است این یک قطعه گمشده بزرگ در تصویر ما از نحوه عملکرد سیاهچالههای فعال باشد.
مالکو میگوید: «اکنون که این ناپایداریها را بسیار دقیق اندازهگیری کردهایم، اطلاعات لازم برای بهبود مدلهای خود و شبیهسازی و درک بالقوه جتهای اخترفیزیکی را تا حد زیادی نسبت به قبل در اختیار داریم.» جالب است که انسان ها می توانند در آزمایشگاه چیزی بسازند که معمولاً در فضا وجود دارد.»
این یافته ها در ۷ تیر در مجله Physical Review Research منتشر شد.
