Un experimento que utiliza haces de protones para investigar cómo interactúan el plasma y los campos magnéticos puede haber resuelto el misterio de cómo los cuásares y otros agujeros negros supermasivos activos liberan sus chorros relativistas.
Imaginemos la escena en el corazón de un cuásar. Un supermasivo agujero negroquizás cientos de millones —o incluso miles de millones— de veces la masa de nuestro solestá devorando vorazmente la materia que fluye hacia sus fauces desde un disco espiral ultracaliente. Esa materia cargada se llama plasma y es atraída gravitacionalmente hacia los alrededores del agujero negro; sin embargo, no todo el plasma, que está hecho de átomos ionizados o electrificados desprovistos de electrones, es tragado por el agujero negro. De hecho, el agujero negro muerde más de lo que puede masticar y parte del plasma es escupido en chorros colimados por el poderoso campo magnético del agujero negro antes de que el plasma llegue a alguna parte. cerca el horizonte de sucesos, que es básicamente el punto de no retorno.
Estos chorros pueden extenderse miles de años luz Sin embargo, explicar la física que tiene lugar en la base del chorro, donde se forman, ha eludido a los científicos.
La respuesta puede haber venido de los investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) en Nueva Jersey, quienes pudieron idear una modificación de una técnica de medición de plasma llamada radiografía de protones.
En su experimento, los investigadores crearon primero un plasma de alta densidad energética disparando un haz láser pulsado de 20 julios a un objetivo de plástico. Luego, utilizaron láseres potentes para provocar la fusión nuclear en una cápsula de combustible llena de deuterio y helio-3. Las reacciones de fusión liberaron ráfagas de protones y rayos X.
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Estos protones y rayos X pasaron a través de una malla de níquel llena de pequeños agujeros. Piense en la malla como un colador para colar pasta; cuela los protones en muchos haces discretos que luego pueden medir cómo la columna de plasma en expansión interactúa con un campo magnético de fondo. Debido a que los protones están cargados, seguirán las líneas del campo magnético a medida que son sacudidos por el plasma. La ráfaga de rayos X actúa como un control: debido a que los rayos X pasan limpiamente a través de la malla y el campo magnético, brindan una imagen no distorsionada del plasma para comparar con las mediciones del haz de protones.
«Nuestro experimento fue único porque pudimos ver directamente cómo cambiaba el campo magnético con el tiempo», dijo Will Fox, el investigador principal del experimento, en un declaración«Pudimos observar directamente cómo el campo se expande y responde al plasma en una especie de tira y afloja».
Observaron en detalle cómo el campo magnético se curvaba hacia afuera bajo la presión del plasma en expansión, y cómo el plasma se agitaba contra las líneas del campo magnético. Este burbujeo y formación de espuma del plasma se conoce como inestabilidad magneto-Rayleigh Taylor, y creó formas en el campo magnético que parecen remolinos y hongos. Fundamentalmente, a medida que la energía del plasma disminuía, las líneas del campo magnético pudieron volver a su posición original. Esto comprimió el plasma en una columna recta y estrecha, no muy diferente del chorro relativista de un cuásar.
«Cuando hicimos el experimento y analizamos los datos, descubrimos que teníamos algo importante», dijo Sophia Malko, del PPPL. «Durante mucho tiempo se pensó que se producían inestabilidades magneto-Rayleigh Taylor derivadas de la interacción del plasma y los campos magnéticos, pero nunca se habían observado directamente hasta ahora. Esta observación ayuda a confirmar que esta inestabilidad se produce cuando el plasma en expansión se encuentra con los campos magnéticos».
El experimento indica claramente que los chorros de cuásar pueden agradecer a este tipo de reacción de los campos magnéticos al plasma en expansión su creación. Si los resultados son una instantánea de lo que ocurre alrededor de los agujeros negros activos, eso significaría que, en el disco de acreción del agujero negro, las condiciones se vuelven tan intensas que el plasma del disco es capaz de empujar contra las líneas de campo magnético, que están muy juntas, y que pueden entonces retroceder y empujar el plasma hacia una columna estrecha, casi arrojándolo fuera del agujero negro. De ser cierto, esto podría ser una gran pieza faltante en nuestra imagen de cómo funcionan los agujeros negros activos.
«Ahora que hemos medido estas inestabilidades con mucha precisión, tenemos la información que necesitamos para mejorar nuestros modelos y potencialmente simular y comprender los chorros astrofísicos en un grado mayor que antes», dijo Malko. «Es interesante que los humanos puedan crear en un laboratorio algo que normalmente existe en el espacio».
Los hallazgos fueron publicados el 27 de junio en la revista Investigación de revisión física.
Publicado originalmente en Espacio.com.
