Два миллиона градусов спалили теорию плазмы

Исследования искуственно созданной сверхгорячей (2 млн кельвинов) плазмы опровергли теорию плазмы

Теория плазмы опровергнута исследованиями искуственно созданной сверхгорячей (2 млн кельвинов) плазмы. Современные представления о плазме нуждаются в существенной доработке, и этот результат чрезвычайно важен для ряда практических областей — от задач удержания плазмы для контролируемого термоядерного синтеза и будущей термоядерной энергетики до понимания внутреннего устройства звезд.

Плазму иногда называют четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным. Методики получения горячей плотной плазмы были известны и ранее, но только возможности ускорительного комплекса SLAC (Стэнфордский центр линейного ускорителя) позволили детально измерить различные свойства этого состояния и таким образом проверить ряд теоретических гипотез фундаментальной физики плазмы.

В случае данного исследования плазма была экстремально горячей — ее температура составляла порядка 2 млн кельвинов, что в сотни раз горячее температуры поверхности Солнца.

Измерения, проведенные международным коллективом ученых и опубликованные на этой неделе в журнале Physical Review Letters, показывают, что теория плазмы нуждается в серьезной доработке.

Плазму производили, бомбардируя сверхтонкую алюминиевую пленку рентгеновскими лучами очень большой энергии, источником которых стал мощный рентгеновский лазер LCLS. Главный вопрос, на который нужно было найти ответ, звучал так: как атомы в такой горячей и плотной плазме взаимодействуют с окружающей средой?

Чтобы понять это, исследователи провели сверхточные измерения количеств энергии, которые требуются, чтобы выбить электроны из атомов в плазме. «Этот вопрос раньше никто толком не изучал», — отметил ведущий автор работы, Орландо Сирикоста из Оксфордского университета.

Новые данные касаются того типа плазмы, который является средой для реакций термоядерного синтеза, когда из нескольких легких ядер возникает более тяжелое (при этом выделяется очень большое количество энергии).

Этот процесс происходит в звездах — Солнце «горит» из-за синтеза гелия из водорода. Этот же процесс люди хотят повторить в термоядерных станциях. Именно поэтому его понимание чрезвычайно важно: он дает представление о том, как происходит обобществление электронов, теряющих принадлежность лишь одному из ядер, в плотной плазме. Чтобы моделировать этот процесс, ученые используют сложные алгоритмы в миллионы строк, но это необходимо для управления термоядерным синтезом.

«Даже самые совершенные компьютерные модели плотной плазмы используют устаревшие представления о ее устройстве, предложенные еще в 1966 году. Наша работа показала, что они не описывают реальную ситуацию. Забавно, что даже более ранний подход, предложенный в 1963 году, работает лучше», — отметил Сирикоста.

Читайте также

«Думаю, это исследование было бы просто невозможным где-то еще. Рентгеновский лазер — ключ к успеху», — отметил Джастин Уарк, также работающий в Оксфорде.

Он отметил, что новое исследование окажет «значительно влияние» на всю физику плазмы, так как подход 1963 года несложно применить, чтобы улучшить существующие модели в целом ряде областей.

Однако до сих пор ученые весьма далеки от полного понимания физики процесса, необходимы новые и новые измерения плазмы в разных условиях.

«Ни об одной из существующих моделей мы не можем сказать, что она работает для всех условий и всех состояний. Проблема нуждается в детальном исследовании — как теоретическом, так и экспериментальном», — признал он.