Физики «наполнили» сверхзвуковую плазму сильным магнитным полем

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.

Кроме того, ученые аккуратно измерили параметры полученной плазмы. Чтобы измерить напряженность магнитного поля, исследователи использовали протонную радиографию, то есть просвечивали плазменную струю протонами и следили за тем, как они отклоняются в магнитном поле. В частности, так ученым удалось установить, что напряженность поля спадает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра струи. В целом, это совпадает с теоретическими расчетами. Чтобы измерить параметры плазмы, физики рассеивали на ней электромагнитное излучение зеленого лазера (так называемое томсоновское рассеяние). Таким образом ученые измеряли спектр плазменных (отвечающих движению электронов) и акустических (отвечающих движению ионов) волн, а потом восстанавливали по ним плотность электронов и скорость течения плазмы. Полученные результаты также совпали с численными расчетами. Наконец, с помощью рентгеновской камеры ученые наблюдали за общим изменением геометрии струи. В принципе, из этих данных также можно получить плотность и температуру плазмы, однако точности проведенных измерений для этого оказалось недостаточно.

В будущем ученые собираются улучшить характеристики полученной плазмы и магнитного поля, а также более точно измерить ее параметры. Для этого физики планируют перейти с установки OMEGA Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера на Национальный комплекс зажигания Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (NIF), который может одновременно работать с 64 лазерными пучками. Также авторы отмечают потенциальную пользу их исследования для астрономов, поскольку параметры полученной плазмы совпадают с параметрами плазмы в джетах молодых звездных объектов (YSO).

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