Звезда в лаборатории

Мощные выбросы газа и плазмы из центров астрономических объектов — джеты — смоделированы в лаборатории

Владимир Корягин 17.10.2014, 14:01
Процесс образование звезды из газопылевого облака ESO/L. Calada
Процесс образование звезды из газопылевого облака

Мощные выбросы газа и плазмы из центров астрономических объектов — джеты — смоделированы в лаборатории. Российский участник исследования Сергей Пикуз рассказал подробности работы «Газете.Ru».

Работа ученых опубликована в ночь на пятницу в журнале Science. Среди 29 авторов статьи пять имеют российскую аффилиацию: Игорь Скобелев и Анатолий Фаенов представляют Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН — этот институт возглавляет президент РАН Владимир Фортов), в нижегородском Институте прикладной физики работают Александр Соловьев и французский физик Жюльен Фукс, возглавляющий там лабораторию, которая была создана на российский мегагрант. На вопросы же «Газеты.Ru» ответил Сергей Пикуз, одновременно работающий в ОИВТ РАН и представляющий Московский инженерно-физический институт.

— Расскажите об эксперименте. Как он проводился?
— В основе эксперимента лежат законы масштабирования. Ранее было теоретически доказано, что при соблюдении определенных условий возможно моделировать процесс в плазменном астрофизическом объекте (звезде, галактике, планетарном ядре, в облаке ионизированного газа) в лаборатории.

Иными словами, масштабировать объекты размерами в сотни астрономических единиц и с временем жизни в миллионы лет до размеров и времен существования плазмы, образующейся за счет воздействия мощных лазерных импульсов (субмиллиметровые размеры и наносекундные времена).

Это создает уникальную возможность моделировать наблюдаемые астрономами объекты во Вселенной и тем самым верифицировать те или иные предположения об их физической природе. А также, что наиболее притягательно, проследить за эволюцией во времени таких объектов, понять, как изменится в будущем наблюдаемый объект, — что в большинстве случаев реальных астрономических наблюдений совершенно недоступно из-за мгновенности человеческой жизни.

Кроме того, описание физических процессов, формирующих и определяющих судьбу реально существующих (и широко распространенных) астрономических объектов, приближает нас к пониманию физики вещества с высокой плотностью энергии. Того, каким образом сходные объекты могут быть созданы, управляемы и использованы человеком в земных условиях. Наиболее показательный пример такого возможного использования — инерциальный термоядерный синтез, который фактически должен воспроизвести реакцию синтеза, идущую в каждом звездном ядре (и дающую энергию всему наблюдаемому миру). Через познание процессов на разных стадиях эволюции различных звездных объектов лежит один из очевидных путей к управлению и контролю термоядерной реакции в рукотворном реакторе.

— Какие результаты были получены?
— Можно выделить два основных вывода. Во-первых, установлена (экспериментально и численно подтверждена) роль магнитного поля в коллимации плазменных потоков. Подтвержден теоретически предсказанный механизм генерации сверхбыстрых и узконаправленных плазменных струй только за счет воздействия полоидальных магнитных полей в плазме. Такие объекты довольно часто наблюдаются астрономами и чрезвычайно притягательны для наблюдателя. В частности, они наблюдаются в процессе образования молодых звезд, в ядрах активных галактик и могут представлять собой ярко светящиеся объекты.

Следует отметить, что речь идет не столько о единственно возможном механизме такой коллимации (таких механизмов однозначно несколько), сколько о том, что магнитные поля могут самостоятельно формировать струи протяженностью в сотни астрономических единиц. Напряженность и конфигурация магнитных полей зависит от большого набора факторов, в том числе от изначальной конфигурации и химического состава газового облака, из которого образуется звезда.

Таким образом, при анализе процесса истечения наблюдаемых струй становится возможным уточнить модели формирования отдельных классов звезд, описать предыдущие и предсказать последующие стадии ее эволюции.

Второй важный вывод заключен в экспериментальном доказательстве существования в основании магнитно-коллимированной струи интенсивного рентгеновского источника. Данный вывод отлично согласуется с астрономическими наблюдениями для целого ряда молодых звездных объектов. Фактически существование такого источника обосновывается именно наличием сильного магнитного поля в ядре молодой звезды.

— Какие методы при этом использовались? В чем состоит непосредственно ваш вклад?
— Попробую ответить на ваш вопрос, не вдаваясь в технические и научные подробности. Для создания объекта исследования (лабораторной плазмы с астрофизическим подобием) использовалось излучение лазерного импульса наносекундной (10-9 секунды) длительности и энергией в 50 Дж. Лазерный импульс фокусировался на твердотельную мишень из пластика либо из алюминия. В результате на поверхности формировалась область расширяющейся в вакуум плазмы. Сразу после воздействия лазерного импульса вокруг плазмы импульсным электромагнитом мощностью 40 Тесла создавалось мощное магнитное поле, обжимающее и коллимирующее плазменный поток. Для диагностики использовался большой набор различных методов с пространственным и временным разрешением.

Полученные данные сравнивались с результатами сложных численных расчетов гидродинамики и магнитной гидродинамики, а также с модельными расчетами процессов в наблюдаемых астрофизических объектах.

Наша лаборатория в ОИВТ РАН занимается разработкой и применением различных методов радиационной диагностики вещества с высокой плотностью энергии, в том числе плазмы, характерной для астрофизических объектов.

Мы обеспечиваем диагностику для исследований по широкому кругу задач, решаемых с использованием сверхмощных лазерных установок и ускорителей. Помимо астрофизической плазмы, изучаются механизмы ускорения ионов и электронов в релятивистской лазерной плазме, генерация сверхмощного рентгеновского излучения и сверхсильных электромагнитных полей, исследуется воздействие интенсивного ионизирующего излучения на различные среды и ряд других вопросов.

В конкретном эксперименте, которому посвящена публикация, мы занимались диагностикой рентгеновского излучения исследуемого плазменного объекта. С использованием полученных нами данных удалось с пространственным разрешением вдоль оси плазменной струи определить температуру и плотность плазмы. Такие данные были необходимы для задания начальных условий в магнитогидродинамических и гидродинамических расчетах, которые, в свою очередь, позволили описать всю физическую картину

— Какие перспективы у направления, которому посвящена данная работа?
— В целом работа представляет направление лабораторной астрофизики. Исторически данное направление выделилось из более широкого класса исследований, направленных на изучение высокотемпературной лазерной плазмы и поиска путей для контролируемого инерциального термоядерного синтеза.

Всю научную область в совокупности принято обозначать как физика высокой плотности энергии (High Energy Density Physics).

Возможно, следует подчеркнуть отличие этой области от физики высоких энергий.

Под высокими энергиями понимается изучение свойств материи на уровне одиночных (элементарных) частиц, для чего такие частицы ускоряются во внешних электромагнитных полях до скоростей, близких к скорости света.

Физика высокой плотности энергии занимается веществом на макроскопических масштабах, проще говоря, когда можно говорить о исследуемом объекте как о вещественном материале, среде в определенном агрегатном состоянии. Для исследования его свойств в вещество накачивается запредельно большое количество энергии (световой, электромагнитной), а наблюдение ведется за релаксацией вещества после воздействия.
Вещество с высокой плотностью энергии имеет несколько перспективных приложений, не только в плане создания условий для термоядерного синтеза в энергетических установках или же в качестве тестовых моделей для астрофизики, но и для технологических применений – в качестве компактного и многофункционального источника ионизирующего излучения для диагностики, прецизионной обработки материалов, медицине, достижения рекордных параметров по энергии ускоренных электронов.

На мой взгляд, путь развития нашей области лежит в дальнейшем усложнении экспериментальных постановок, когда для приближения условий эксперимента к реальным астрофизическим будет обеспечено воздействие на исследуемое вещество сил различной природы.

Аналогично тому, как в опубликованной работе нам удалось синхронизировать воздействие интенсивного лазерного мощного магнитного импульса, конструкция используемых микро- и наномишеней позволит выявить новые особенности в физике высокой плотности энергии. Большие надежды связаны также с вводом в эксплуатацию все более мощных оптических и рентгеновских лазеров и ускорителей заряженных частиц, а также с созданием детализированных кодов для проведения многомасштабного трехмерного моделирования плазменных процессов.

— Где проводились изыскания? Помогали ли вам российские учреждения или работа шла только за рубежом?
— Вообще говоря, однозначно ответить на такой вопрос применительно к современным экспериментам в области физики высокой плотности энергии невозможно. Такие исследования могут быть выполнены только в рамках широкой международной коллаборации.

Результатам, опубликованным в нашей статье, предшествовал ряд экспериментов на установках в нескольких странах мира. Каждая такая установка по-своему уникальна и позволяет исследовать различные аспекты физики плазмы, а время на установках распределяется между международными коллективами на конкурсной основе. Непосредственно описываемый в статье эксперимент выполнялся на лазерной установке в лаборатории LULI Ecole Polytechnique (Франция). При этом для проведения экспериментов французскими, немецкими и российскими коллегами были изготовлены критически значимые компоненты – импульсный генератор электромагнитных импульсов, мощные электромагниты, средства радиационной диагностики плазмы и т.д.

В то же время работа приобрела законченный вид только за счет совокупности экспериментальных результатов и данных численного моделирования, выполненных как для лабораторной лазерной плазмы, так и для наблюдаемых астрофизических объектов. Моделирование выполнялось коллегами из США, Канады, Франции, Италии.

Российские участники отвечают за обеспечение радиационной диагностики в эксперименте – разработку методов и оборудования для проведения рентгеноспектральных измерений, построение радиографических изображений исследуемых явлений, определение параметров плазмы на основе моделирования характеристических спектров многозарядных ионов и интерпретации изображений.

С точки зрения развития направления в России стоит отметить создание специальной астрофизической лаборатории на базе лазерной установки PEARL в ИПФ РАН (Нижний Новгород), поддержку исследований со стороны Роскосмоса (ФГУП ЦНИИМаш) и финансирование нашей работы целевым грантом РФФИ.

Я думаю, что в течение двух лет на площадке в ИПФ РАН станет возможным проведение экспериментальных работ аналогичного уровня. Но успех таких экспериментов будет зависеть не только от параметров лазерной установки, но и от вовлеченности в работу всех наших зарубежных коллег.