Огонь, рождающийся в бездне: как учёные научились повторять космические явления на Земле

Международная команда учёных сделала невозможное — они создали в лаборатории плазменные огненные шары, имитирующие поведение потоков частиц, которые извергают активные галактики-блазары. Это открытие может помочь понять, как во Вселенной зародились первые магнитные поля и почему часть космического излучения до нас не доходит.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Горячий ветер из центра Галактики

Что такое блазары и почему они интересны астрофизикам

Блазары — это галактики с сверхмассивной чёрной дырой в центре. Они выбрасывают узкие, почти световые струи заряженных частиц — джеты — которые испускают гамма-излучение колоссальной энергии (до нескольких тераэлектронвольт).

Однако наблюдения с космических телескопов показывают загадочную деталь: часть ожидаемых фотонов исчезает. Учёные предполагали, что причина в неустойчивости потока электронов и позитронов, которые теряют энергию при столкновении с межгалактической плазмой.

Чтобы проверить это, физики решили создать миниатюрный аналог блазара на Земле.

"Наш эксперимент показывает, как лабораторные установки помогают связать наблюдения астрофизиков с фундаментальной физикой", — пояснил руководитель проекта профессор Джанлука Грегори.

Как учёные создали "огонь галактик"

Исследования проводились в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на ускорителе Super Proton Synchrotron с использованием установки HiRadMat. Учёные создали пучок электронов и позитронов — точную копию потока, выбрасываемого чёрной дырой, — и направили его через метровый участок плазмы.

Эта установка позволила впервые воссоздать в лаборатории мини-джет, температура и плотность которого напоминали реальные условия в активных галактиках.

Результат оказался неожиданным:

• пучок сохранил стабильность;
• магнитные поля почти не возникали;
• гипотеза о плазменной неустойчивости не подтвердилась.

Это означает, что загадочное "исчезновение" гамма-лучей нельзя объяснить только взаимодействием с плазмой. Вероятно, в межгалактическом пространстве существует сверхслабое магнитное поле, рассеивающее излучение — одно из старейших и неразгаданных звеньев космической эволюции.

Новое направление — лабораторная астрофизика

"Наши результаты подтверждают потенциал лабораторной астрофизики — науки, которая позволяет воссоздавать экстремальные космические процессы в земных условиях", — отметил соавтор исследования, профессор Боб Бингем.

Раньше астрономы могли лишь наблюдать за далекими источниками. Теперь они могут моделировать их поведение под контролем, создавая аналоги в плазменных установках. Это направление объединяет физику частиц, астрофизику и квантовую механику.

А что если первые магнитные поля появились именно так?

Учёные предполагают, что слабые межгалактические поля, выявленные в эксперименте, могли быть "зачатками" космических магнитных структур, возникших вскоре после Большого взрыва. Со временем они усиливались и формировали сложные поля в галактиках и звёздных системах.

Следующий шаг — наблюдения с новой обсерватории Cherenkov Telescope Array, которая позволит увидеть, как распределяются магнитные поля между галактиками и как они влияют на гамма-излучение.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагать, что лабораторные эксперименты не могут воспроизводить космос.
• Последствие: потеря уникального инструмента проверки теорий.
• Альтернатива: развивать лабораторную астрофизику для прямых испытаний гипотез.
• Ошибка: объяснять космические явления только наблюдениями.
• Последствие: недостоверные модели.
• Альтернатива: комбинировать наблюдения с физическими экспериментами.

Плюсы и минусы нового подхода

FAQ

Почему исчезают гамма-лучи блазаров?

Пока не ясно. Эксперимент показал, что плазменная неустойчивость не виновата — вероятно, дело в межгалактических магнитных полях.

Можно ли создать настоящий "мини-блазар" на Земле?

Отчасти да — его энергетические параметры меньше космических в миллионы раз, но физические процессы аналогичны.

Зачем это нужно?

Чтобы проверить космологические модели, понять происхождение магнитных полей и механизм ускорения частиц во Вселенной.

Мифы и правда

• Миф: такие эксперименты опасны, они создают мини-чёрные дыры.
• Правда: энергия потоков слишком мала, чтобы вызвать подобные эффекты.
• Миф: лабораторные модели не могут объяснить космос.
• Правда: физические принципы универсальны — плазма в ЦЕРНе и плазма галактики подчиняются одним законам.
• Миф: блазары — редкость.
• Правда: известно более 2 000 таких объектов, и они — самые яркие источники гамма-излучения во Вселенной.

3 интересных факта

• Плазменные струи блазаров простираются на миллионы световых лет — в тысячи раз длиннее галактики.
• Энергия одного выброса сопоставима с энергией, выделяемой Солнцем за 10 миллионов лет.
• Термин блазар объединяет два класса объектов — BL Lac и квазары, если их джеты направлены прямо на Землю.

Исторический контекст

Первые блазары астрономы обнаружили в 1950-х годах как "необъяснимо яркие точки" на радиокартах неба. Долгое время их природа оставалась загадкой. С открытием ускорителей частиц и лазерных установок появилась возможность воссоздавать космические явления в лаборатории. Сегодня "лабораторная астрофизика" превращается в полноценную отрасль науки, соединяющую эксперименты ЦЕРНа и телескопы нового поколения.

Лабораторные "огненные шары" стали ключом к разгадке космических тайн. Эксперимент ЦЕРНа доказал: даже в пределах одной установки можно заглянуть в масштаб Вселенной и приблизиться к ответу на вопрос, как появились первые магнитные поля и почему космическое излучение ведёт себя столь загадочно.