Международная группа исследователей под руководством Оксфордского университета достигла беспрецедентного результата, сгенерировав плазменные «огненные шары» с помощью Суперпротонного синхротрона в ЦЕРН, Женева. Их цель состояла в изучении того, как плазменные джеты, исходящие от далёких блазаров, сохраняют стабильность по мере своего распространения в космосе.
Результаты команды, опубликованные 3 ноября в журнале PNAS, могут помочь разгадать ключевую загадку о недостающих гамма-лучах Вселенной и её обширных, невидимых магнитных полях.
Блазары – это тип активных галактик, питающихся сверхмассивными чёрными дырами, которые испускают мощные узкие джеты частиц и излучения почти со скоростью света. Эти потоки выбрасывают чрезвычайно энергичные гамма-лучи, достигающие нескольких тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10^12 эВ), которые регистрируются наземными обсерваториями.
По мере того как эти гамма-лучи ТэВ-диапазона путешествуют сквозь межгалактическое пространство, они взаимодействуют со слабым фоновым светом от звёзд, образуя каскады электрон-позитронных пар. Эти пары должны затем сталкиваться с космическим микроволновым фоном, порождая гамма-лучи более низкой энергии (около 10^9 эВ, или ГэВ). Однако космический телескоп Fermi НАСА до сих пор не зафиксировал этот ожидаемый сигнал. Причина этого расхождения долгое время оставалась невыясненной.
Учёные предложили две возможные гипотезы. Одна теория предполагает, что слабые магнитные поля между галактиками отклоняют электрон-позитронные пары, перенаправляя образующиеся гамма-лучи в сторону от Земли. Другая, укоренившаяся в физике плазмы, предполагает, что сами пары становятся нестабильными при прохождении через разреженный газ, заполняющий межгалактическое пространство. В этом сценарии небольшие возмущения в плазме генерируют магнитные поля и турбулентность, которые отводят энергию от пучка.
Для проверки этих идей исследовательская группа – объединившая специалистов из Оксфорда и Центра лазерных установок (CLF) Совета по научно-техническим сооружениям (STFC) – использовала установку HiRadMat в ЦЕРН. Они сгенерировала пучки электрон-позитронных пар с помощью Суперпротонного синхротрона и пропустила их через плазму длиной в один метр. Этот эксперимент послужил масштабной симуляцией того, как каскад пар от блазара движется через межгалактическое вещество.
Измеряя форму пучка и генерируемые им магнитные поля, учёные смогли определить, достаточно ли сильны плазменные нестабильности, чтобы нарушить движение пучка.
Результаты оказались неожиданными. Вместо того чтобы распадаться, пучок пар оставался плотно сфокусированным и почти параллельным, демонстрируя очень малые возмущения или магнитную активность. Применение этих данных к космическим масштабам наводит на мысль, что плазменные нестабильности сами по себе слишком слабы, чтобы объяснить отсутствие гамма-лучей.
Полученные данные подтверждают альтернативное объяснение – что межгалактическая среда содержит магнитное поле, оставшееся со времён ранней Вселенной.
Профессор Джанлука Грегори из Департамента физики Оксфордского университета отметил: «Наше исследование демонстрирует, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдением, углубляя наше понимание астрофизических объектов, изучаемых спутниковыми и наземными телескопами. Это также подчёркивает важность сотрудничества между экспериментальными установками по всему миру, особенно в достижении новых прорывов при изучении всё более экстремальных физических режимов».
Результаты порождают новые вопросы о том, как такое магнитное поле могло сформироваться. Предполагается, что ранняя Вселенная была чрезвычайно однородной, поэтому существование магнитных полей той эпохи трудно объяснить. Исследователи предполагают, что ответ может лежать в физике за пределами Стандартной модели. Ожидается, что будущие обсерватории, такие как Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), предоставят более точные данные для проверки этих теорий.
Соавтор исследования, профессор Боб Бингхэм из Центра лазерных установок STFC и Университета Стратклайда, добавил: «Эти эксперименты показывают, как лабораторная астрофизика может проверять теории о высокоэнергетической Вселенной. Воспроизводя релятивистские плазменные условия в лаборатории, мы можем измерять процессы, которые формируют эволюцию космических джетов, и лучше понять происхождение магнитных полей в межгалактическом пространстве».
Профессор Субир Саркар из Департамента физики Оксфордского университета также поделился: «Было очень интересно участвовать в таком инновационном эксперименте, который вносит новое измерение в передовые исследования, проводимые в ЦЕРН. Надеемся, наш поразительный результат вызовет интерес в плазменном (астро)физическом сообществе к возможностям изучения фундаментальных космических вопросов в наземной лаборатории физики высоких энергий».
В проекте приняли участие учёные из Оксфордского университета, Центра лазерных установок STFC (RAL), ЦЕРН, Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета, AWE Aldermaston, Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Института ядерной физики Макса Планка, Исландского университета и Высшего технического института в Лиссабоне.
