Физики «наполнили» сверхзвуковую плазму сильным магнитным полем

Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters, 2019
Американские физики впервые получили стабильный пучок плазмы, объем которого пронизан магнитным полем напряженностью порядка ста миллионов гаусс. Кроме того, ученые аккуратно измерили параметры пучка и магнитного поля, а затем показали, что они согласуются с теоретическими моделями. Работа ученых потенциально может пригодиться в астрофизике, в частности, при изучении джетов молодых звездных объектов. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Бо́льшая часть барионной материи Вселенной находится в состоянии плазмы — сильно ионизированного газа, в котором электроны и ионы двигаются практически независимо. В самом деле, масса планет и межзвездного газа составляет незначительную часть от массы звезд, а в звездах вещество разогревается как минимум до нескольких тысяч кельвинов, которых вполне достаточно для ионизации. Важным отличием плазмы от остальных агрегатных состояний вещества является ее способность проводить электрический ток. В частности, по этой причине намагниченная плазма обязательно следует вдоль линий магнитного поля. Более подробно про физику плазмы можно прочитать в статьях «Есть ли плазма в космосе?» и «Вездесущая плазма».
К сожалению, измерить свойства астрономических объектов напрямую невозможно, поэтому физики пытаются создать плазму в лаборатории и смоделировать какие-нибудь предполагаемые процессы. Например, ученые до сих пор плохо понимают, как ведет себя вещество в сильно намагниченных джетах, которые образуются вокруг черных дыр. Подробнее про эту проблему можно прочитать в нашей новости или в материале «Загадка галактических масштабов». К сожалению, до сих пор исследователям не удавалось создать в лаборатории достаточно большой и устойчивый сгусток плазмы, пронизанный сильным магнитным полем. Во всех предыдущих экспериментах поле проникало вглубь сгустка не больше чем на несколько сотен микрометров, а затем быстро распадались во времени и пространстве.
Ученые под руководством Ханьтао Цзи (Hantao Ji) придумали новую схему эксперимента и получили сгусток стабильной сверхзвуковой плазмы, пронизанный магнитным полем напряженностью порядка миллиона гаусс (100 тесла). Для этого исследователи сфокусировали 20 лазерных лучей установки OMEGA на пластиковой мишени и собирали их в кольцо диаметром около одного миллиметра. Размер каждого луча составлял примерно 125 микрометров, длительность импульсов достигала одной наносекунды, а суммарная энергия излучения превышала 10 тысяч джоулей. В результате в окрестности пятна каждого лазера формировался небольшой сгусток плазмы. Затем все сгустки равномерно расширялись и наращивали давление в центральном регионе кольца. Наконец, созданное давление «выдавливало» струю плазмы и пронизывало ее магнитным полем, направленным вдоль оси струи. Чем больше был диаметр кольца, тем длиннее получалась струя и тем более сильное поле ее пронизывало. Например, для кольца диаметром 1,2 миллиметра длина достигала пяти миллиметров, а напряженность поля — ста миллионов гаусс. Для сравнения, напряженность магнитного поля Земли не превышает одного гаусса.
Как ни странно, плазму очень легко получить в домашних условиях: достаточно разрезать виноградину пополам, оставив мостик из кожуры, и положить ее в микроволновку. Такое неожиданное поведение виноградинок физики объяснили только в феврале этого года: оказалось, что плазма зажигается из-за нагрева контакта половин ягод и наличия ионов щелочных металлов на их поверхности.
Дмитрий Трунин