Черная дыра возникает, когда большая звезда схлопывается и превращается в настолько плотную массу, что ее гравитация не позволяет вырываться наружу ничему, даже свету. У большинства наблюдаемых опосредованно черных дыр имеются звезды-компаньоны, с которыми они образуют двойные системы. Они вращаются друг вокруг друга, и вещество звезды постепенно притягивается черной дырой. Этот медленно текущий поток газа часто создает аккреционный диск вокруг черной дыры — яркий, хорошо заметный источник рентгеновского излучения.

С 1970-х астрономы пытались смоделировать радиацию аккреционных потоков, пишет Phys.org. Тогда ученые уже знали, что рентгеновское излучение возникает от взаимодействия газа и магнитных полей, представляя собой во много раз более мощную версию солнечных вспышек.

Как показало моделирование, турбулентность вокруг черных дыр настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы. В смеси электрон-позитронной плазмы и фотонов рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые, контактируя друг с другом, снова аннигилируют в излучение.

Обычно электроны и позитроны, будучи античастицами друг для друга, не встречаются в одном месте. Однако экстремальная среда вокруг черной дыры допускает это. Излучение тоже в нормальных условиях не взаимодействует с плазмой, но тут энергия фотонов становится слишком большой, чтобы ее можно было игнорировать.

Исследователи продемонстрировали, что турбулентная плазма естественным образом создает такой тип рентгеновского излучения, который исходит от аккреционного диска черной дыры. Кроме того, моделирование впервые позволило увидеть, что плазма вокруг черных дыр может находиться в двух различных состояниях равновесия, в зависимости от внешнего радиационного поля. В одном состоянии плазма прозрачная и холодная, в другом непрозрачная и горячая.

Когда вещество приближается к черной дыре, оно раскаляется, становясь плазмой — четвертым состоянием вещества, заряженными ионами и свободными электронами. В попытке раскрыть тайну аккреционных дисков черных дыр физики из Британии воссоздали в лаборатории эту структуру и сделали несколько важных наблюдений.