Представьте, как было бы здорово, если бы можно было разместить Солнечную систему на лабораторном столе и детально изучить все сложные физические процессы, протекающие в ней! Удивительно, но иногда учёным практически удаётся это сделать.
Дело в том, что многие интересные для изучения процессы можно масштабировать — то есть пропорционально уменьшить все масштабы, скорости, плотности газов, величины магнитных полей и т. д. так, чтобы протекающие процессы качественно не изменились. Так например, тестируют модели разрабатываемых самолётов — сначала работают с уменьшенной копией и только убедившись, что с ней всё в порядке, переходят к полномасштабным макетам.
Физики, изучающие солнечную плазмы тоже пытаются использовать этот принцип. Так, в недавно опубликованной в журнале Nature Communications статье группа исследователей наблюдала в лабораторных условиях процесс, который происходит во многих астрофизических условиях — переход магнитной турбулентности от режима доминирования электронов к режиму доминирования ионов.
Турбулентность — одно из фундаментальных явлений, наблюдающихся в газах и жидкостях. Пример турбулентного движения мог наблюдать каждый, кто видел след, оставляемый быстрым судном, движущимся по воде.
В астрофизике турбулентные движения межзвёздного газа или верхних слоёв атмосферы осложняются, во-первых, ионизацией — молекулы газа под действием радиации или за счёт высокой температуры вблизи звёзд теряют свои электроны, образуя ионы. То есть газ, на самом деле, представляет собой плазму. А во-вторых, эта плазма практически всегда находится во внешних (создаваемых другими объектами) или самогенерируемых магнитных полях, которые оказывают существенное влияние на движение частиц плазмы. Таким образом, говорят о магнитной турбулентности.
Прямое изучение магнитной турбулентности в космосе задача непростая. При турбулентном движении свойства газа и величина магнитных полей может быстро меняться от точки к точке, и точно измерить их невозможно — для этого потребовалось бы огромное количество спутников. Поэтому так важна возможность изучать это явление в условиях лаборатории.
В обсуждаемой статье для генерации магнитной турбулентности использовался мощный лазерный импульс. Он посылался на стеклянную мишень, покрытую слоем алюминия. В результате происходила сверхбыстрая ионизация алюминия и образовывалась плотная плазма, которая начинала разлетаться. В ходе этого разлёта плазма переходила в режим турбулентности, и в ней начинали генерироваться огромные по величине магнитные поля — их сила в десятки раз превосходила силу полей, которые можно создать при помощи электромагнитов.
Измерение величины магнитных полей производилось при помощи дополнительного лазерного импульса небольшой мощности, который пускался на мишень с некоторой задержкой. При его отражении за счёт обратного эффекта Фарадея происходило изменение поляризации, вызванное наличием магнитных полей. По величине этого изменения определялась величина магнитного поля в разных точках мишени. Эксперимент повторялся несколько тысяч раз с разной задержкой измеряющего импульса, что позволило изучить, как магнитные поля меняются со временем.
В эксперименте было показана, что через некоторое время после начала разлёта плазмы характер распределения магнитных полей качественно меняется. Это объясняется тем, что плазма остывала. В начале ионы двигались так быстро, что практически не замечали магнитного поля, то есть оно оказывало заметное воздействие только на электроны, которые и обеспечивали «связь» магнитного поля с плазмой. Однако в некоторый момент скорость теплового движения ионов падала настолько, что они тоже начинали чувствовать магнитное поле и «связь» усиливалась. Это и приводило к изменению структуры магнитного поля.
Аналогичные процессы, по всей видимости, протекают и в солнечном ветре — когда из недр Солнца выбрасываются в окружающее пространство потоки замагниченной плазмы.
Читайте также
Создан лазер с самой высокой пиковой мощностью
Не думай о фемтосекундах свысока
Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?