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.

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.

Схема экспериментальной установки: вид сбоку (слева) и сверху (справа). Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters

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.

Сравнение изображений протонной радиографии, рассчитанных теоретически (слева) и полученных в эксперимента (справа) для разной длительности импульса. Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters

Спектр электронной плазменной волны (сверху) и ионной акустической волны (снизу) в зависимости от времени. Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters

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.

Автор: Дмитрий Трунин
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!