Une expérience utilisant des faisceaux de protons pour sonder la manière dont le plasma et les champs magnétiques interagissent pourrait avoir résolu le mystère de la manière dont les quasars et autres trous noirs supermassifs actifs libèrent leurs jets relativistes.
Imaginons la scène au cœur d’un quasar. Un quasar supermassif trou noirpeut-être des centaines de millions — ou même des milliards — de fois la masse de notre soleildévore avec voracité la matière qui afflue dans sa gueule depuis un disque spiralé ultra-chaud. Cette matière chargée est appelée plasma, et elle est attirée gravitationnellement dans les environs du trou noir. Cependant, tout le plasma, qui est composé d’atomes ionisés ou électrifiés, privés d’électrons, n’est pas avalé par le trou noir. En effet, le trou noir mord plus qu’il ne peut mâcher, et une partie du plasma est recrachée dans des jets collimatés par le puissant champ magnétique du trou noir avant que ce plasma n’atteigne un quelconque objectif. près l’horizon des événements, qui est fondamentalement le point de non-retour.
Ces jets peuvent s’étendre sur des milliers de années-lumière dans l’espace. Pourtant, les scientifiques n’ont pas réussi à expliquer la physique qui se déroule à la base du jet, là où ils se forment.
La réponse vient peut-être des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) dans le New Jersey, qui ont pu concevoir une modification d’une technique de mesure du plasma appelée radiographie protonique.
Dans leur expérience, les chercheurs ont d’abord créé un plasma à haute densité énergétique en tirant un faisceau laser pulsé de 20 joules sur une cible en plastique. Ils ont ensuite utilisé de puissants lasers pour déclencher la fusion nucléaire dans une capsule de combustible remplie de deutérium et d’hélium 3. Les réactions de fusion ont libéré des rafales de protons et de rayons X.
Ces protons et rayons X traversent ensuite une maille en nickel percée de minuscules trous. Imaginez la maille comme une passoire pour égoutter les pâtes ; elle filtre les protons en de nombreux faisceaux distincts qui peuvent ensuite mesurer la manière dont le panache de plasma en expansion interagit avec un champ magnétique de fond. Comme les protons sont chargés, ils suivent les lignes de champ magnétique lorsqu’ils sont secoués par le plasma. L’explosion de rayons X agit comme un contrôle : comme les rayons X traversent proprement la maille et le champ magnétique, ils fournissent une image non déformée du plasma à comparer aux mesures du faisceau de protons.
« Notre expérience était unique car nous pouvions voir directement le champ magnétique changer au fil du temps », a déclaré Will Fox, le chercheur principal de l’expérience, dans un communiqué. déclaration« Nous pourrions observer directement comment le champ est poussé vers l’extérieur et réagit au plasma dans une sorte de tir à la corde. »
Ils ont observé en détail le champ magnétique se déviant vers l’extérieur sous la pression du plasma en expansion, le plasma clapotant contre les lignes de champ magnétique. Ce bouillonnement et cette mousse du plasma sont connus sous le nom d’instabilité magnéto-Rayleigh Taylor, et ils ont créé des formes dans le champ magnétique qui ressemblent à des tourbillons et des champignons. Fait crucial, à mesure que l’énergie du plasma diminuait, les lignes de champ magnétique ont pu se rétracter. Cela a comprimé le plasma en une colonne droite et étroite qui n’est pas sans rappeler le jet relativiste d’un quasar.
« Lorsque nous avons réalisé l’expérience et analysé les données, nous avons découvert que nous tenions quelque chose d’important », a déclaré Sophia Malko, du PPPL. « On pensait depuis longtemps que les instabilités magnéto-Rayleigh-Taylor résultant de l’interaction entre le plasma et les champs magnétiques se produisaient, mais n’avaient jamais été observées directement jusqu’à présent. Cette observation permet de confirmer que cette instabilité se produit lorsque le plasma en expansion rencontre des champs magnétiques. »
L’expérience indique clairement que les jets de quasars peuvent remercier ce type de réaction des champs magnétiques au plasma en expansion pour leur création. Si les résultats sont un instantané de ce qui se passe autour des trous noirs actifs, cela signifierait que, dans le disque d’accrétion du trou noir, les conditions deviennent si intenses que le plasma du disque est capable de pousser contre les lignes de champ magnétique serrées, qui peuvent alors revenir en arrière et pousser le plasma dans une colonne étroite, le projetant presque loin du trou noir. Si cela est vrai, cela pourrait être un élément manquant majeur dans notre image du fonctionnement des trous noirs actifs.
« Maintenant que nous avons mesuré ces instabilités avec une grande précision, nous disposons des informations nécessaires pour améliorer nos modèles et potentiellement simuler et comprendre les jets astrophysiques à un degré plus élevé qu’auparavant », a déclaré Malko. « Il est intéressant que les humains puissent fabriquer en laboratoire quelque chose qui existe habituellement dans l’espace. »
Les résultats ont été publiés le 27 juin dans la revue Recherche sur l’examen physique.
Initialement publié sur Espace.com.
