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Ein Experiment mit Protonenstrahlen zur Untersuchung der Wechselwirkung von Plasma und Magnetfeldern könnte das Rätsel gelöst haben, wie Quasare und andere aktive supermassereiche Schwarze Löcher ihre relativistischen Jets freisetzen.
Stellen wir uns die Szene im Herzen eines Quasars vor. Ein supermassereicher Quasar schwarzes Lochvielleicht Hunderte Millionen – oder sogar Milliarden – Male Masse unserer Sonneverschlingt gierig das Material, das aus einer ultraheißen Spiralscheibe in sein Maul fließt. Diese geladene Materie wird Plasma genannt und wird durch die Schwerkraft von der Umgebung des Schwarzen Lochs angezogen. Allerdings wird nicht das gesamte Plasma, das aus ionisierten oder elektrifizierten Atomen ohne Elektronen besteht, vom Schwarzen Loch verschluckt. Tatsächlich beißt das Schwarze Loch mehr ab, als es kauen kann, und ein Teil des Plasmas wird in Strahlen ausgespuckt, die vom starken Magnetfeld des Schwarzen Lochs gebündelt werden, bevor das Plasma irgendeinen Punkt erreicht. schließen DER EreignishorizontDas ist im Grunde der Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt.
Diese Jets können sich über Tausende erstrecken Lichtjahre im Weltraum. Dennoch ist es den Wissenschaftlern nicht gelungen, die Physik zu erklären, die an der Basis des Jets, wo sie entstehen, abläuft.
Die Antwort könnte von Forschern des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in New Jersey kommen, denen es gelang, eine Modifikation einer Plasmamesstechnik namens Protonenradiographie zu entwickeln.
In ihrem Experiment erzeugten die Forscher zunächst ein Plasma mit hoher Energiedichte, indem sie einen gepulsten Laserstrahl mit 20 Joule auf ein Kunststoffziel feuerten. Anschließend lösten sie mit leistungsstarken Lasern eine Kernfusion in einer mit Deuterium und Helium-3 gefüllten Brennstoffkapsel aus. Die Fusionsreaktionen setzten Protonen- und Röntgenstrahlen frei.
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Diese Protonen und Röntgenstrahlen passieren dann ein Nickelnetz, das mit winzigen Löchern durchbohrt ist. Stellen Sie sich das Netz als Sieb zum Abtropfen von Nudeln vor; Es filtert Protonen in viele separate Strahlen, die dann messen können, wie die expandierende Plasmafahne mit einem Hintergrundmagnetfeld interagiert. Wenn die Protonen geladen sind, folgen sie den magnetischen Feldlinien, während sie vom Plasma erschüttert werden. Der Röntgenblitz dient als Kontrolle: Da die Röntgenstrahlen das Netz und das Magnetfeld sauber passieren, liefern sie ein unverzerrtes Bild des Plasmas, das mit den Protonenstrahlmessungen verglichen werden kann.
„Unser Experiment war einzigartig, weil wir die Veränderung des Magnetfelds im Laufe der Zeit direkt sehen konnten“, sagte Will Fox, der Hauptforscher des Experiments, in einer Erklärung. Stellungnahme„Wir konnten direkt beobachten, wie das Feld nach außen gedrückt wird und in einer Art Tauziehen auf das Plasma reagiert. »
Sie beobachteten im Detail, wie sich das Magnetfeld unter dem Druck des expandierenden Plasmas nach außen ablenkt, wobei das Plasma gegen die Magnetfeldlinien schwappt. Dieses Blasen und Schäumen des Plasmas ist als Magneto-Rayleigh-Taylor-Instabilität bekannt und erzeugte im Magnetfeld Formen, die Wirbeln und Pilzen ähneln. Entscheidend ist, dass die magnetischen Feldlinien mit abnehmender Plasmaenergie in ihren Ausgangszustand zurückkehren konnten. Dadurch wurde das Plasma zu einer geraden, schmalen Säule komprimiert, ähnlich dem relativistischen Jet eines Quasars.
„Als wir das Experiment durchführten und die Daten analysierten, stellten wir fest, dass wir auf etwas Wichtiges gestoßen waren“, sagte Sophia Malko von PPPL. „Es wurde schon lange angenommen, dass Magneto-Rayleigh-Taylor-Instabilitäten auftreten, die aus der Wechselwirkung zwischen Plasma und Magnetfeldern resultieren, aber bisher wurden sie noch nie direkt beobachtet.“ Diese Beobachtung bestätigt, dass diese Instabilität auftritt, wenn das expandierende Plasma auf Magnetfelder trifft. »
Das Experiment zeigt deutlich, dass Quasar-Jets möglicherweise dieser Art der Reaktion von Magnetfeldern auf expandierendes Plasma für ihre Entstehung zu verdanken haben. Wenn es sich bei den Ergebnissen um eine Momentaufnahme dessen handelt, was um aktive Schwarze Löcher herum passiert, würde das bedeuten, dass die Bedingungen innerhalb der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs so intensiv werden, dass das Scheibenplasma magnetisch gegen die Feldlinien stoßen kann, die sich dann zurückbewegen können und drücken das Plasma in eine schmale Säule, wodurch es fast vom Schwarzen Loch weggeschleudert wird. Wenn dies zutrifft, könnte dies ein wesentlicher fehlender Teil in unserem Bild davon sein, wie aktive Schwarze Löcher funktionieren.
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„Da wir diese Instabilitäten nun mit hoher Präzision gemessen haben, verfügen wir über die Informationen, die wir benötigen, um unsere Modelle zu verbessern und möglicherweise astrophysikalische Jets besser als zuvor zu simulieren und zu verstehen“, sagte Malko. „Es ist interessant, dass Menschen im Labor etwas herstellen können, das normalerweise im Weltraum existiert. »
Die Ergebnisse wurden am 27. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht Forschung zur körperlichen Untersuchung.