Лазерный мир

Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) представили результаты исследования, в ходе которого было проведено моделирование космических джетов с использованием протонов на лазерной установке. Работа, проведенная на базе АО «ЦНИИмаш», позволила получить пучок протонов с очень малым углом расходимости и разработать теоретическую модель, объясняющую результаты экспериментов. Результаты работы опубликованы в Астрономическом журнале РАН.

Космические джеты представляют собой мощные струи плазмы, в которых частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Они формируются в результате сложных процессов, происходящих в аккреционных дисках вокруг черных дыр и нейтронных звезд. Во время формирования диска выделяется энергия, способная выбрасывать в космос вещество и излучение. Взаимодействие вращающейся материи и магнитных полей создает силу, которая направляет часть материала от центра диска, формируя джет. 

Современные исследования космических джетов используют различные наблюдательные инструменты, такие как радиотелескопы и рентгеновские обсерватории. Теоретическое и экспериментальное моделирование также играет важную роль в понимании этих явлений.

Экспериментальная основа исследования была создана на лазерной установке, где мощные лазерные импульсы длительностью в одну пикосекунду были сфокусированы на поверхности тонкой медной мишени диаметром 10 микрометров. В результате облучения мишени был получен пучок протонов, движущийся практически со скоростью света. Он стал лабораторной моделью космического джета.

Для моделирования процессов происходящих в джетах мощные лазерные импульсы длительностью в одну пикосекунду (одна миллионная доля от одной миллионной доли секунды) сфокусировали на пятне диаметром 10 микрометров на поверхности тонкой медной мишени. 

Рисунок 2. Схема проведения экспериментов, вакуумной камеры, измерительной аппаратуры и лазерного пучка. Источник: Астрономический журнал РАН.

Как и было предсказано теоретическими моделями, после облучения мишени сформировался почти параллельный пучок протонов, движущийся почти со скоростью света, который и является лабораторной моделью космического джета.

Ученые выяснили, что ключевую роль в формировании протонного пучка играет циклотронная неустойчивость. Этот процесс приводит к возникновению токов, которые усиливают магнитное поле вдоль оси пучка, создавая положительную обратную связь. В результате пучок закручивается и сужается, разгоняя частицы в одном направлении и разделяя плазменную струю на отдельные образования.

Физики рассмотрели несколько моделей для объяснения наблюдаемых результатов и предложили модель дискретной структуры протонного пучка с образованием тороидальных вихрей.

Нам удалось теоретически и экспериментально продемонстрировать, что развитие циклотронной неустойчивости с генерацией циклотронного излучения играет ключевую роль в ряде процессов в плазме с магнитным полем: самолокализации плазмы в виде солитонов, преобразовании вращательного движения плазмы в поступательное, циклотронном ускорении заряженных частиц, разделении (стратификации) плазменной струи на отдельные плазменные образования»

 прокомментировал профессор кафедры теоретической физики имени Ландау МФТИ Владимир Крайнов.

По словам ученых, понимание процессов, происходящих в космических джетах, может привести к новым открытиям в области астрофизики и помочь в разработке технологий, основанных на управлении плазмой. Такие технологии могут найти применение в энергетике, медицине, например, в радиотерапии, и даже в космических полетах.

За организацию и проведение полезных дискуссий по теме исследований авторы выражают благодарность программе 10 «Экспериментальная Лабораторная Астрофизика и Геофизика» НЦФМ. Работа также поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (№ FSMG-2023-0013).

Опубликовано на https://mipt.ru/news/rossiyskaya-lazernaya-sistema-nashla-klyuch-k-ponimaniyu-kosmicheskikh-dzhetov