چگونه سیاهچاله ها جت های بین کهکشانی عظیمی تولید می کنند

چگونه سیاهچاله ها جت های بین کهکشانی عظیمی تولید می کنند

پلاسما، به عنوان چهارمین حالت ماده، در جهان هستی و همچنین در آزمایشگاه‌های زمینی مانند دستگاه‌های همجوشی دوناتی‌شکل معروف به توکامک‌ها به وفور یافت می‌شود.

این ماده به دلیل باردار بودن الکتریکی به‌طور مداوم با میدان‌های مغناطیسی قوی تعامل دارد و این برخورد باعث تغییرات ساختاری و حرکتی در آن می‌شود. تعامل پلاسما با میدان‌های مغناطیسی می‌تواند به پدیده‌های مختلفی از جمله جت‌های پلاسمایی عظیمی منجر شود که در فواصل بین ستارگان مشاهده می‌شوند. با این حال، هنوز بسیاری از جزئیات این پدیده‌ها ناشناخته باقی مانده است.

در تلاش برای درک بهتر این پدیده‌ها، دانشمندان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) به دستاوردهای جدیدی دست یافته‌اند. با استفاده از تکنیکی نوآورانه، آن‌ها موفق به ثبت جزئیاتی دقیق از چگونگی تأثیر پلاسما بر میدان‌های مغناطیسی شدند. این مطالعه که با پروتون‌نگاری انجام شد، به درک عمیق‌تری از ناپایداری‌های پلاسمایی و چگونگی شکل‌گیری جت‌های پلاسمایی در مقیاس‌های بزرگ اخترفیزیکی کمک کرده است.

پلاسما و میدان‌های مغناطیسی

پلاسما، حالتی از ماده است که شامل ذرات باردار الکتریکی از جمله الکترون‌ها و یون‌ها می‌باشد. این حالت در دمای بسیار بالا تشکیل می‌شود و به دلیل باردار بودن ذرات آن، به شدت با میدان‌های مغناطیسی واکنش نشان می‌دهد. میدان‌های مغناطیسی می‌توانند پلاسما را کنترل کنند، شکل آن را تغییر دهند و حتی باعث تشکیل ساختارهای پیچیده در آن شوند.

این پدیده‌ها در دستگاه‌های همجوشی مانند توکامک‌ها به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما در فضا نیز به وفور مشاهده می‌شوند. یکی از پدیده‌های شناخته‌شده‌ای که از تعامل پلاسما و میدان مغناطیسی ناشی می‌شود، جت‌های پلاسمایی هستند. این جت‌ها، که می‌توانند از سیاه‌چاله‌ها و سایر اجرام آسمانی چگال منشأ بگیرند، مسافت‌های بسیار بزرگی را در فضا طی می‌کنند و همچنان یکی از معماهای بزرگ اخترفیزیک هستند.

دستاوردهای آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون

دانشمندان PPPL با انجام آزمایش‌هایی در محیط آزمایشگاهی موفق به مشاهده جزئیات بی‌سابقه‌ای از نحوه برخورد پلاسما با میدان‌های مغناطیسی شدند. این آزمایش‌ها با استفاده از یک تکنیک بهبود یافته پروتون‌نگاری انجام شد.

آن‌ها از لیزرهای قدرتمند برای ایجاد پلاسمای داغ و متراکم استفاده کردند و سپس با تاباندن پروتون‌ها از یک کپسول سوختی که شامل هیدروژن و هلیوم بود، توانستند جریان‌های پروتونی تولید کنند. این پروتون‌ها در مواجهه با میدان‌های مغناطیسی انحراف پیدا کردند و این انحراف‌ها به دانشمندان اجازه داد تا تغییرات ایجاد شده در میدان مغناطیسی را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند.

نتایج این آزمایشات حاکی از آن بود که زمانی که پلاسما به میدان مغناطیسی فشار وارد می‌کند، ناپایداری‌هایی در مرزهای آن به وجود می‌آید که به ناپایداری‌های مغناطیسی رایلی-تیلور معروف هستند. این ناپایداری‌ها ساختارهایی شبیه به ستون‌ها و قارچ‌ها ایجاد می‌کنند.

پس از کاهش انرژی پلاسما، خطوط میدان مغناطیسی به حالت اولیه خود بازمی‌گردند و در نتیجه، پلاسما فشرده شده و به ساختاری صاف تبدیل می‌شود. این ساختار به جت‌های پلاسمایی که از سیاه‌چاله‌ها ساطع می‌شوند، شباهت دارد.

ناپایداری‌های رایلی-تیلور و نقش آن‌ها

ناپایداری‌های مغناطیسی رایلی-تیلور زمانی رخ می‌دهند که دو ماده با چگالی‌های متفاوت تحت تأثیر نیرویی مانند گرانش یا فشار قرار گیرند. در این حالت، ماده سبک‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند و ماده سنگین‌تر به پایین می‌رود، که باعث ایجاد الگوهایی شبیه به قارچ در مرز بین دو ماده می‌شود.

در این آزمایش، پلاسما و میدان مغناطیسی به عنوان دو ماده در حال تعامل عمل کردند و فشار پلاسما باعث ایجاد این ناپایداری‌ها شد. مشاهدات مستقیم این ناپایداری‌ها در محیط آزمایشگاهی، نه تنها به تأیید نظریات گذشته کمک کرد بلکه دیدگاه‌های جدیدی در مورد چگونگی شکل‌گیری آن‌ها ارائه داد.

این یافته‌ها نشان می‌دهند که جت‌های عظیم پلاسمایی که از سیاه‌چاله‌ها ساطع می‌شوند، ممکن است به دلیل همین ناپایداری‌های مغناطیسی و فشرده شدن خطوط میدان مغناطیسی شکل بگیرند. این نتایج، که با استفاده از تجهیزات دقیق و تکنیک‌های نوآورانه به دست آمده‌اند، می‌توانند راهگشای تحقیقات بیشتری در زمینه اخترفیزیک و همجوشی هسته‌ای باشند.

نوآوری در تکنیک‌های اندازه‌گیری

یکی از نکات برجسته این تحقیق، توسعه و بهبود تکنیک پروتون‌نگاری بود. این تکنیک به دانشمندان اجازه داد تا جزئیات بسیار دقیقی از تغییرات میدان مغناطیسی و پلاسما را مشاهده کنند.

در این روش، تیم پژوهشی از یک شبکه کوچک با سوراخ‌های ریز استفاده کردند که به جریان‌های پروتونی اجازه می‌داد تا به صورت جداگانه عبور کنند. سپس، با مقایسه تصویر مشوه‌ای که از جریان پروتون‌ها به دست آمده بود با یک تصویر مرجع، توانستند انحراف‌های ناشی از میدان مغناطیسی را تجزیه و تحلیل کنند.

این روش جدید به محققان اجازه داد تا تغییرات میدان مغناطیسی را در طول زمان مشاهده کنند و ببینند که چگونه این میدان‌ها در واکنش به پلاسما تغییر می‌کنند. این اطلاعات با دقت بالا ثبت شد و به دانشمندان اجازه داد تا فرضیات گذشته در مورد تعاملات پلاسما و میدان مغناطیسی را با داده‌های تجربی مقایسه کنند.

نقش پلاسماهای پرانرژی در تحقیقات آینده

تحقیقات اخیر در PPPL به سمت مطالعه پلاسماهای پرانرژی و با چگالی بالا (HED) متمایل شده است. این نوع پلاسمای پرانرژی در دماها و چگالی‌هایی بسیار بالاتر از پلاسماهای استفاده شده در آزمایش‌های همجوشی عادی شکل می‌گیرد و پدیده‌های جدیدی را به همراه دارد. پلاسماهای HED، مانند آنچه در این آزمایش تولید شد، می‌توانند برای درک بهتر فرآیندهای همجوشی لیزری و تولید اشعه برای کاربردهای میکروالکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند.

“پلاسماهای HED یک حوزه هیجان‌انگیز از تحقیقات هستند که به فیزیک پلاسما ارزش افزوده می‌دهند” می‌گوید ویل فاکس، یکی از پژوهشگران اصلی این تحقیق. او معتقد است که PPPL با بهره‌گیری از تجربه گسترده خود در مطالعه پلاسماهای مغناطیسی، می‌تواند نقش مهمی در پیشبرد تحقیقات مربوط به پلاسماهای پرانرژی ایفا کند.

علاوه بر این، لورا برزاک هاپکینز، مدیر آزمایشگاه PPPL در زمینه استراتژی و مشارکت‌ها، به پیچیدگی‌های این نوع تحقیقات اشاره می‌کند: “علم HED بسیار پیچیده و هیجان‌انگیز است و کلید درک بسیاری از پدیده‌هاست. ایجاد این شرایط در یک محیط کنترل‌شده و توسعه ابزارهای پیشرفته برای اندازه‌گیری دقیق آن‌ها یک چالش بزرگ است.”

گام‌های بعدی: آزمایش‌های بیشتر و شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر

دانشمندان PPPL قصد دارند تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام دهند تا مدل‌های موجود در مورد پلاسماهای در حال گسترش را بهبود بخشند. یکی از یافته‌های این تحقیق این است که ارتباط بین چگالی پلاسما و میدان مغناطیسی به صورت مستقیم نیست، چیزی که پیش‌تر تصور می‌شد. اکنون با در دست داشتن داده‌های دقیق‌تر، پژوهشگران می‌توانند مدل‌های موجود را بهبود بخشند و به شبیه‌سازی‌های دقیق‌تری از جت‌های اخترفیزیکی بپردازند.

“اینکه انسان‌ها می‌توانند پدیده‌ای را در آزمایشگاه خلق کنند که معمولاً در فضا وجود دارد، بسیار جالب است” می‌گوید سوفیا مالکو. این یافته‌ها نه تنها به درک بهتر اخترفیزیک کمک می‌کند، بلکه کاربردهای عملی در تحقیقات همجوشی و دیگر حوزه‌های علمی دارد.