סילוני חור שחור של חומר/אנטי-חומר נוצרו מחדש במעבדה של CERN

שיתוף הפעולה Fireball בשימוש CERNמתקן ה-HiRadMat של החברה לייצור אנלוגי של סילוני החומר והאנטי-חומר הזורמים מתוך כמה חורים שחורים וכוכבי נויטרונים.

במתקן HiRadMat של CERN, חוקרים יצרו פוזיטרון אלקטרוני בצפיפות גבוהה פְּלַסמָה אלומה המחקה סילונים אסטרופיזיים מחורים שחורים, ומספקת תובנות חדשות על תופעות חלל. ניסויים אלה עוזרים לאמת מודלים תיאורטיים עם נתונים מהעולם האמיתי, וסוללים את הדרך להבנה מעמיקה יותר של אירועים קוסמיים כמו חור שחור מטוסים.

צלול אל לבה של גלקסיה פעילה ותמצא חור שחור סופר-מסיבי זולל חומר מסביבתו. בערך באחת מכל עשר גלקסיות כאלה, החור השחור יירה החוצה גם סילוני חומר קרוב למהירות האור. סילוני חורים שחורים יחסיים כאלה נחשבים מכילים, בין היתר, פלזמה של זוגות אלקטרונים ומקבילותיהם האנטי-חומריות, פוזיטרונים.

מאמינים כי פלזמת אלקטרונים-פוזיטרון רלטיביסטית זו מעצבת את הדינמיקה ותקציב האנרגיה של החור השחור וסביבתו. אבל איך בדיוק זה קורה עדיין מעט מובן, כי קשה גם למדוד את הפלזמה בתצפיות אסטרונומיות וגם לדמות אותה עם תוכנות מחשב.

במאמר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבעCharles Arrowsmith ועמיתיו משיתוף הפעולה Fireball מדווחים כיצד השתמשו במתקן HiRadMat ב-CERN כדי לייצר אלומה רלטיבית של פלזמה אלקטרונים-פוזיטרון המאפשרת לחקור את המדיום הזה בפירוט בניסויי מעבדה.

שכפול מעבדה של תופעות אסטרופיזיות

ניתן ליצור קרניים יחסיות של צמדי אלקטרונים-פוזיטרון בכמה דרכים בסוגים שונים של מעבדות, כולל מתקני לייזר בעלי הספק גבוה. עם זאת, אף אחת מהדרכים הקיימות לא יכולה לייצר את מספר זוגות האלקטרונים-פוזיטרון הנדרשים כדי לקיים פלזמה – מצב של חומר שבו החלקיקים המרכיבים מחוברים בצורה רופפת מאוד. מבלי לקיים את הפלזמה, החוקרים אינם יכולים לחקור כיצד האנלוגים הללו של סילוני חורים שחורים משתנים כאשר הם נעים דרך מקבילה מעבדתית של המדיום הבין-כוכבי. חקירה זו היא המפתח להסבר תצפיות מטלסקופים מבוססי קרקע וחלל.

Arrowsmith ועמיתיו מצאו דרך לעמוד בדרישות הללו במתקן HiRadMat של CERN. הגישה שלהם כללה חילוץ תוך ננו-שנייה בלבד של שלוש מאות מיליארד פרוטונים מהסינכרוטרון העל פרוטונים של המעבדה וירי אותם על מטרה של גרפיט וטנטלום, שבה מפל של אינטראקציות בין חלקיקים מייצר מספר עצום של זוגות אלקטרונים-פוזיטרון.

השלכות על מחקר אסטרופיזי

על ידי מדידת אלומת האלקטרון-פוזיטרון היחסית המתקבלת עם סט מכשירים, והשוואת התוצאה עם הדמיות מחשב מתוחכמות, Arrowsmith ועמיתיו לעבודה הראו שמספר זוגות האלקטרון-פוזיטרון בקרן – יותר מעשרה טריליון – הוא עשרה ל פי מאה ממה שהושג בעבר, וחורג בפעם הראשונה מהמספר הדרוש לשמירה על מצב הפלזמה.

"מחשבים שפזמות אלקטרונים-פוזיטרון ממלאות תפקיד מהותי בסילונים אסטרופיזיקליים, אבל הדמיות ממוחשבות של פלזמות וסילונים אלה מעולם לא נבדקו במעבדה", אומר Arrowsmith. "ניסויי מעבדה נחוצים כדי לאמת את ההדמיות, כי מה שנראה כמו פישוטים סבירים של החישובים המעורבים בסימולציות יכול לפעמים להוביל למסקנות שונות באופן דרסטי."

התוצאה היא הראשונה מסדרת ניסויים ששיתוף הפעולה Fireball מבצע ב-HiRadMat.

כיוונים עתידיים באסטרופיזיקה מעבדתית

"הרעיון הבסיסי של הניסויים האלה הוא לשחזר במעבדה את המיקרופיזיקה של תופעות אסטרופיזיקליות כמו סילונים מחורים שחורים וכוכבי נויטרונים", אומר מחבר המאמר והחוקר הראשי ג'אנלוקה גרגורי. "מה שאנחנו יודעים על התופעות האלה מגיע כמעט אך ורק מתצפיות אסטרונומיות והדמיות ממוחשבות, אבל טלסקופים לא באמת יכולים לחקור את המיקרופיזיקה והסימולציות כרוכות בקירוב. ניסויי מעבדה כמו אלה מהווים גשר בין שתי הגישות הללו".

הדבר הבא בעיסוקיהם של Arrowsmith ועמיתיו בפלזמה ב-HiRadMat הוא להפיץ את הסילונים החזקים הללו דרך פלזמה באורך מטר ולבחון כיצד האינטראקציה ביניהם מייצרת שדות מגנטיים שמאיצים את החלקיקים בסילונים – אחת החידות הגדולות ביותר באנרגיה גבוהה אסטרופיזיקה.

"ניסויי Fireball הם אחת התוספות האחרונות לתיק העבודות של HiRadMat", אומרת מנהלת התפעול של המתקן אליס גויו. "אנו מצפים להמשיך לשחזר את התופעות הנדירות הללו תוך שימוש בתכונות הייחודיות של קומפלקס המאיץ של CERN."

למידע נוסף על מחקר זה, ראה מיני-יקום במעבדה: יצירת "כדורי אש קוסמיים" על פני כדור הארץ.

פרויקט זה קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon Europe של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס' 101057511 (EURO-LABS).