Международная группа учёных под руководством Оксфордского университета впервые в мире создала плазменные «огненные шары» с помощью ускорителя Super Proton Synchrotron в ЦЕРН в Женеве. Это было сделано для изучения стабильности плазменных струй, исходящих из блазаров.
Результаты исследования, опубликованные в PNAS, могут пролить новый свет на давнюю загадку о скрытых магнитных полях Вселенной и пропавших гамма-лучах.
Блазары — это активные галактики, работающие на энергии сверхмассивных чёрных дыр. Они запускают узкие потоки частиц и излучения со скоростью, близкой к световой, в сторону Земли. Эти струи производят интенсивное гамма-излучение с энергией до нескольких тераэлектронвольт, которое регистрируется наземными телескопами.
Когда гамма-лучи с энергией в ТэВ (тераэлектронвольт) распространяются через межгалактическое пространство, они рассеиваются на тусклом фоновом свете от звёзд, создавая каскады электрон-позитронных пар. Эти пары должны затем рассеиваться на космическом микроволновом фоне, генерируя гамма-лучи с более низкой энергией. Однако эти гамма-лучи с более низкой энергией не были зафиксированы гамма-телескопами, такими как спутник Fermi. До сих пор причина этого была неизвестна.
Одно из объяснений заключается в том, что пары отклоняются слабыми межгалактическими магнитными полями, направляя гамма-лучи с более низкой энергией в сторону от нашего поля зрения. Другая гипотеза, основанная на физике плазмы, состоит в том, что сами пары лучей становятся нестабильными, когда они проходят через разреженную материю, лежащую между галактиками. В этом случае небольшие флуктуации в луче создают токи, которые генерируют магнитные поля, усиливая нестабильность и потенциально рассеивая энергию луча.
Для проверки этих теорий исследовательская группа — сотрудничество между Оксфордским университетом и Центральной лазерной установкой (CLF) Совета по научным и техническим средствам (STFC) — использовала установку HiRadMat (High-Radiation to Materials) в ЦЕРН для генерации электрон-позитронных пар с помощью Super Proton Synchrotron и пропускания их через метровый слой окружающей плазмы.
Это позволило создать лабораторный аналог каскада пар, распространяющегося через межгалактическую плазму. Измеряя профиль луча и связанные с ним магнитные поля, исследователи непосредственно изучили, могут ли плазменно-лучевые неустойчивости нарушить струю.
Результаты были поразительными. Вопреки ожиданиям, пучок пар оставался узким и почти параллельным, с минимальными нарушениями или самогенерируемыми магнитными полями. Когда эти результаты экстраполируются на астрофизические масштабы, это означает, что плазменно-лучевые неустойчивости слишком слабы, чтобы объяснить пропажу гамма-лучей с энергией в ГэВ (гигаэлектронвольт). Это поддерживает гипотезу о том, что межгалактическая среда содержит магнитное поле, которое, вероятно, является реликтом ранней Вселенной.
Ведущий исследователь профессор Джанлука Грегори (кафедра физики Оксфордского университета) сказал: «Наше исследование демонстрирует, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдением, улучшая наше понимание астрономических объектов с помощью спутниковых и наземных телескопов. Оно также подчёркивает важность сотрудничества между экспериментальными установками по всему миру, особенно в освоении новых физических режимов».
Профессор Боб Бингем (CLF и Университет Стратклайда) отметил: «Эти эксперименты демонстрируют, как лабораторная астрофизика может проверить теории о Вселенной с высокой энергией. Воспроизводя условия релятивистской плазмы в лаборатории, мы можем измерить процессы, которые формируют эволюцию космических струй, и лучше понять происхождение магнитных полей в межгалактическом пространстве».
Профессор Субир Саркар (кафедра физики Оксфордского университета) добавил: «Было очень интересно принять участие в таком инновационном эксперименте, который добавляет новое измерение к передовым исследованиям, проводимым в ЦЕРН. Надеемся, что наш поразительный результат вызовет интерес в сообществе физиков плазмы (астрофизиков) к возможностям исследования фундаментальных космических вопросов в земной лаборатории высоких энергий».
Предоставлено Оксфордским университетом.