بازسازی جت‌های سیاه‌چاله در آزمایشگاه

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ یک آزمایش بر روی زمین به تازگی یکی از شدیدترین فرآیند‌های اخترفیزیکی را در مقیاس کوچک شبیه‌سازی کرده است. فیزیکدانان در آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون (PPPL) موفق به ایجاد جت‌های متمرکزی شده‌اند که شبیه به جت‌هایی هستند که از ستاره‌های جوان و سیاه‌چاله‌های در حال تغذیه فوران می‌کنند.

نسخه آزمایشگاهی ما به هیچ‌وجه به اندازه یا قدرت جت‌های فضایی نیست که می‌توانند تا میلیون‌ها سال نوری امتداد داشته باشند. اما نتایج این آزمایش برای اولین بار یک بی‌ثباتی پلاسما که مدت‌ها پیش فرض شده بود را آشکار کرده و به ما کمک می‌کند بفهمیم که این فوران‌ها چگونه شکل می‌گیرند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور به فضا پرتاب می‌شوند.

ویل فاکس، فیزیکدان PPPL، گفت: «این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که میدان‌های مغناطیسی برای شکل‌گیری جت‌های پلاسما بسیار مهم هستند. اکنون که ممکن است درکی از چگونگی تولید این جت‌ها پیدا کرده باشیم، می‌توانیم به طور نظری جت‌های اخترفیزیکی عظیم را مطالعه کنیم و اطلاعاتی درباره سیاه‌چاله‌ها کسب کنیم.»

جت‌های اخترفیزیکی همچنان تا حدی مرموز هستند. این جت‌ها، جریان‌های باریک و بلندی از پلاسما هستند که از قطب‌های برخی از اجرام کیهانی در امتداد محور چرخش به بیرون پرتاب می‌شوند. در سیاه‌چاله‌ها، این جت‌ها زمانی شکل می‌گیرند که سیاه‌چاله در حال تغذیه است؛ دانشمندان بر این باورند که بخشی از موادی که به دور سیاه‌چاله می‌چرخند، منحرف شده و در امتداد خطوط میدان مغناطیسی به سمت قطب‌ها شتاب می‌گیرند و در نهایت به صورت جت پرتاب می‌شوند.

مکانیزم مشابهی برای ستاره‌های جوان که به روشی مشابه تغذیه می‌کنند نیز مطرح است. اما ما هنوز جزئیات شکل‌گیری این جت‌ها را نمی‌دانیم که یک شکاف قابل توجه در درک ما از فرآیند‌های اخترفیزیکی است. اکنون تیمی به رهبری سوفیا مالکو، فیزیکدان PPPL، یکی از مکانیزم‌های احتمالی را مشاهده کرده است.

این تیم برای مطالعه تعامل بین میدان‌های مغناطیسی و پلاسما که حالتی از ماده شامل ذرات یونیزه است، از تکنیکی به نام پرتون رادیومتری استفاده کردند. این تکنیک از انحراف ذرات زیراتمی باردار مثبت برای نقشه‌برداری از الگو‌های میدان مغناطیسی پلاسما استفاده می‌کند.

پلاسما از طریق شلیک لیزر به یک دیسک پلاستیکی نازک ایجاد شد. همزمان، ترکیبی از پروتون‌ها و اشعه ایکس از طریق شلیک لیزر‌ها به یک کپسول هیدروژن و هلیوم تولید شد که در اثر گرما واکنش‌های هسته‌ای ایجاد کرد. پروتون‌ها و اشعه‌های ایکس از طریق یک شبکه نیکلی عبور کردند که بین دو سیم‌پیچ مغناطیسی قوی قرار داشت. این شبکه، مانند یک قالب برای ماکارونی، نور و ذرات را به یک شبکه از پرتو‌های کوچک تبدیل کرد.

پرتو‌های پروتون، که توسط برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی پلاسما با میدان مغناطیسی خارجی منحرف شدند، به عنوان معیاری برای اندازه‌گیری آشفتگی درون پلاسما عمل کردند. از آنجایی که اشعه‌های ایکس بدون انحراف و تغییر از پلاسما عبور کردند، آنها نقطه‌ای برای مقایسه رفتار پروتون‌ها فراهم کردند.

آنچه تیم مشاهده کرد، برجسته شدن میدان مغناطیسی در اثر فشار پلاسما در حال انبساط بود. با ادامه فشردن پلاسما به میدان مغناطیسی، حباب‌ها و تلاطم‌هایی در لبه‌های آن ظاهر شدند که شبیه به شکل‌های قارچی و ستونی بودند، دقیقاً مانند زمانی که شیر سرد را در قهوه داغ می‌ریزید و آن را به جوش می‌آورید.

مالکو توضیح داد: «در طی این تعامل، ساختار‌های زیادی در محل برخورد میدان‌ها با پلاسما شکل می‌گیرند، زیرا تفاوت‌های شدید در دما، چگالی و شدت میدان مغناطیسی وجود دارد. این یک مکان ایده‌آل برای رشد آنها است.»

در نهایت، با کاهش انرژی پلاسما، میدان مغناطیسی به حالت اولیه بازگشت که به نوبه خود باعث شد پلاسما به صورت یک جت بلند و نازک متمرکز شود، مشابه جت‌هایی که از سیاه‌چاله‌ها فوران می‌کنند.

آن حباب‌ها و تلاطم‌ها در لبه‌های پلاسما، به گفته محققان، قسمت واقعاً جالب بود، پدیده‌ای که به عنوان بی‌ثباتی مگنتو-ریلی-تیلور شناخته می‌شود، نوعی بی‌ثباتی شناخته‌شده در دینامیک سیالات، با این تفاوت که این بار میدان مغناطیسی درگیر است.

مالکو گفت: «وقتی آزمایش را انجام دادیم و داده‌ها را تحلیل کردیم، متوجه شدیم که با چیزی بزرگ مواجه شده‌ایم. مشاهده بی‌ثباتی مگنتو-ریلی-تیلور که در اثر تعامل پلاسما و میدان‌های مغناطیسی به وجود می‌آید، مدت‌ها فرض شده بود، اما تا به حال مستقیماً مشاهده نشده بود. این مشاهده به تأیید این موضوع کمک می‌کند که این بی‌ثباتی زمانی رخ می‌دهد که پلاسما در حال انبساط با میدان‌های مغناطیسی برخورد می‌کند. ما نمی‌دانستیم که ابزار‌های اندازه‌گیری ما این دقت را خواهند داشت. کل تیم ما بسیار هیجان‌زده است!»

این مشاهده فقط برای اخترفیزیک اهمیت ندارد. پلاسما‌های محصورشده توسط میدان‌های مغناطیسی، اساس نوعی راکتور همجوشی را تشکیل می‌دهند که فیزیکدانان امیدوارند روزی بتواند انرژی تمیز و کارآمدی فراهم کند. محصور کردن پلاسما درون میدان مغناطیسی چالشی است؛ آگاهی بیشتر از چگونگی تعامل پلاسما و میدان‌های مغناطیسی اطلاعات بیشتری برای حل مشکلات آینده به ما می‌دهد.

مالکو گفت: «اکنون که این بی‌ثباتی‌ها را با دقت بسیار اندازه‌گیری کرده‌ایم، اطلاعاتی که نیاز داریم را برای بهبود مدل‌های خود و شبیه‌سازی بهتر جت‌های اخترفیزیکی در اختیار داریم. جالب است که انسان‌ها می‌توانند چیزی را در آزمایشگاه بسازند که معمولاً فقط در فضا وجود دارد.»

این پژوهش در مجله Physical Review Research منتشر شده است.

انتهای پیام/