Physiker erschaffen Material, um Schwarze Löcher auf der Erde nachzubilden!
Eine Gruppe von Physikern stellt im Labor eine Art von Material her, das nur in der Umgebung von Schwarzen Löchern existiert.
Wenn man die gesamte sichtbare Materie im Universum in einen Mixer geben könnte, wäre das Ergebnis wahrscheinlich ein Materiezustand, der Plasma genannt wird. Plasma ist ein Zustand der Materie, der geladene Teilchen wie Elektronen und positive Ionen enthält. Im Allgemeinen ist die Temperatur eines Plasmas hoch genug, um das Material zu ionisieren.
Astronomen interessieren sich für die Untersuchung von Plasmen, weil die meisten Objekte im Universum mit Hilfe der Plasmaphysik erklärt werden müssen. Ein Beispiel ist die Sonne selbst, die manche für einen Plasmaball halten. Ein weiteres Beispiel ist das Material um Schwarze Löcher, die sich während des Akkretionsprozesses in einem Plasmazustand befinden, und das Verständnis der Dynamik ist von grundlegender Bedeutung, um Antworten zu erhalten.
Aufgrund der Bedeutung der Plasmaphysik ist es Oxford-Physikern gelungen, ein Plasmamaterial nachzubilden, das dem Plasma um Schwarze Löcher ähnlich ist. Nach Angaben der Forscher ist dies das erste Mal, dass so etwas gemacht wurde, und es öffnet Türen zum besseren Verständnis astronomischer Phänomene. Die Studie wird dazu beitragen, Vorhersagen über Beobachtungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen zu treffen.
Plasma
Der häufigste Zustand der Materie im Universum wird als Plasma bezeichnet. Plasma hat ähnliche Eigenschaften wie Gase und Flüssigkeiten, gehört aber zu einer anderen Klasse. Im Plasma sind die Teilchen ionisiert, so dass es eine Mischung aus Ionen und Elektronen darstellt. Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit Gasen und Flüssigkeiten gehört das Plasma zur Physik der Strömungslehre.
Die Temperaturen in einem Plasma sind so hoch, dass die Teilchen ionisiert werden, d.h. Elektronen treten aus den Atomen aus. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es möglich, dass in Plasmen magnetische Felder vorhanden sind und sie eine leitende Eigenschaft haben. Das Gebiet der Untersuchung von Plasmen ist recht breit gefächert.
Einer der Gründe für das Interesse der Physiker an der Erforschung von Plasma ist, dass es der vorherrschende Zustand im Universum ist. Sterne werden gemeinhin als Plasmakugeln bezeichnet, und die Akkretionsscheiben von Objekten wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen befinden sich im Plasmazustand. Sogar in unserem täglichen Leben kann Plasma vorkommen, zum Beispiel in Blitzen und in einigen Arten von Glühbirnen.
Akkretion von Schwarzen Löchern
Eine der Anwendungen der Untersuchung von Plasmen ist das Verständnis der Dynamik einer Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs. Wenn ein Material vom Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs eingefangen wird, bildet es eine scheibenförmige Struktur, die Akkretionsscheibe. Durch komplexe physikalische Prozesse bewegt sich das Material spiralförmig auf das Schwarze Loch zu.
Da die elektromagnetische Strahlung, die die Scheibe aussendet, mit verschiedenen Eigenschaften des Systems zusammenhängt, ist es möglich, die Masse und die Akkretionsrate zu berechnen, mit der das Objekt Material verbraucht. Außerdem ist es der Akkretionsscheibe zu verdanken, dass wir Schwarze Löcher beobachten können, die kein eigenes Licht aussenden.
Nachbildung im Labor
Einer Gruppe von Oxford-Physikern ist es erstmals gelungen, in einem Experiment ein ähnliches Plasma um Schwarze Löcher im Labor nachzubilden. Demnach haben sie ein Plasma mit 10 Billionen Elektron-Positron-Paaren nachgebildet. Dies entspräche dem Zustand eines Plasmas um ein Schwarzes Loch, das akkretiert.
Mit diesen Ergebnissen ist es möglich, Eigenschaften zu finden, die nur in diesem Zustand als Welleneigenschaften wahrnehmbar sind. Eine der möglichen Anwendungen besteht darin, magnetohydrodynamische Gleichungen zu verwenden, um Dynamik und nicht nur Teilchen zu verstehen. Das Experiment wurde am CERN durchgeführt.
Mögliche Antworten
Eine der Ideen ist es, die Arbeit zu nutzen, um einige astrophysikalische Prozesse zu erklären, die noch nicht geklärt sind. Eine dieser Fragen ist die Erzeugung von Gammastrahlenausbrüchen und auch relativistischen Jets. Das Verständnis dieser Phänomene ist auch für die Erklärung der Kernmechanismen aktiver Galaxien wichtig.
Quellenhinweis:
Arrowsmith et al 2024 Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams Nature Communications