Коллектив российских ученых провел моделирование космических джетов в сверхсильных магнитных полях лазерной релятивистской плазмы. Эксперименты проводились на лазерной установке 10-ти ТВт уровня мощности созданной в АО «ЦНИИмаш». Результаты работы опубликованы в Астрономическом журнале РАН.
Фото 1. Общий вид лазерной установки. Источник: Астрономический журнал РАН.
Космические джеты — струи плазмы, вырывающиеся из центральных областей таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары, молодые звезды и радиогалактики. Джеты в этих объектах имеют протяженность от единиц световых лет (молодые звезды) до миллионов световых лет (активные ядра галактик), а скорости течений соответственно от нерелятивистских до ультрарелятивистских близких к скорости света.
Космические струи — одни из самых красивых астрофизических объектов во Вселенной. Первое наблюдение джета связано с американским астрономом Гебером Кертисом. В 1918 году он указал на «странный прямой луч» на изображении галактики M 87 (в созвездии Девы), которая расположена в центре ближайшего к нам крупного скопления галактик.
Фото 2. Изображение космического джета галактики М87 сделанное космическим телескопом «Хаббл». Источник: NASA.
Образование джетов, например, у активных ядер галактик связано с аккрецией, т. е. повышением массы ядер галактик за счет гравитационного притяжения материи из окружающего пространства, падением вещества (газа) на их центральную часть. Падающее вещество нагревается, ионизируется и образует так называемый аккреционный диск. В диске вещество (плазма) движется практически по круговым орбитам и, медленно перемещаясь с одной орбиты на другую, приближается к центральной части ядра галактики, в которой находится массивная черная дыра. Из центральной части галактики бьют две симметричные плазменные струи — джеты. Наличие в аккреционных дисках упорядоченного магнитного поля способствует появлению этих выбросов.
Современные исследования джетов продолжаются с использованием различных наблюдательных инструментов, включая радиотелескопы, рентгеновские обсерватории и спутники. Астрофизики изучают, как космические джеты влияют на окружающую их среду, на формирование звезд и галактик, на распределение материи во Вселенной. В настоящее время не существует общепринятой точки зрения на механизм формирования джетов, что обусловливает особую актуальность их моделирования в лабораторной плазме. Лабораторное моделирование — основа лабораторной астрофизики, сравнительно молодой науки, быстро развивающаяся в последние два десятилетия. Понятно, что характерные длины и временные масштабы лабораторных экспериментов на много порядков меньше, чем у реальных астрофизических процессов, однако, они могут быть корректно масштабированы для астрофизических ситуаций в случае, если и те, и другие подчиняются законам идеальной магнитной гидродинамики. Это связано с тем, что уравнения магнитной гидродинамики не имеют собственного масштаба, и поэтому они могут описывать как лабораторные, так и астрофизические течения. Благодаря этому, физическое моделирование динамических процессов генерации и трансформации мощных потоков плазмы в магнитных полях успешно осуществляется в лабораторных условиях на физических установках, среди которых выделяются высокоинтенсивные лазеры. Моделирование астрофизических джетов является одним из основных направлений работ, проводимых на этих установках. Моделирование такого сложного многогранного явления, как астрофизический джет, возможно путем поэтапного рассмотрения процессов их образования, структурирования, ускорения, трансформации энергии, устойчивого распространения на большие расстояния.
Созданная в АО «ЦНИИмаш» лазерная установка стала экспериментальной основой работ в институте по лабораторной астрофизике. Эксперименты проводились с 10-ти тераваттным уровнем мощности при следующих параметрах лазерного импульса: энергия до 15 Дж, длина волны 1.055 мкм, длительность 1,0 пикосекунды, контраст лазерного излучения порядка 10^8. Система фокусировки на основе внеосевого параболического зеркала с фокусным расстоянием 20 см обеспечивала концентрацию не менее 40 % энергии лазерного пучка в пятно диаметром 10 мкм и пиковую интенсивность излучения порядка 5 × 10^18 Вт/см2. При воздействии такого мультитераваттного лазерного излучения на вещество возникает плазма с уникальными параметрами — температурой ионов порядка миллиарда кельвинов, энергией протонов уровня мегаэлектронвольт (106 эВ), магнитным полем более ста мегагаусс (10^8 Гс) и соответствующим давлением порядка сотен миллионов атмосфер.
Рисунок 3. Схема проведения экспериментов, вакуумной камеры, измерительной аппаратуры и лазерного пучка. Источник: Астрономический журнал РАН.
Эксперименты помогли исследовать пространственную структуру, расходимость и энергию пучков протонов, возникающих с тыльной стороны тонкой мишени из меди, облучаемой лазерными импульсами с пиковой интенсивностью порядка 5 × 1018 Вт/см2. При энергии протонов 2,9 МэВ зарегистрирована предельно (рекордно) узкая расходимость протонного пучка, равная 0,05°. Для теоретического объяснения полученных экспериментальных данных использована модель Свита—Паркера пересоединения магнитных силовых линий.
Показано, что наблюдаемая в сечении плазменного потока кольцевая структура соответствует тороидальной равновесной плазменной конфигурации, которая возникает в сильных магнитных полях лазерной плазмы.
Рисунок 4. Тороидальные равновесные плазменные конфигурации при разных значениях магнитного потока. Источник: Астрономический журнал РАН.
Лазерная плазма, инициируемая одиночным лазерным импульсом, генерирует одиночную тороидальную равновесную плазменную структуру, которая может быть рассмотрена как альфвеновский солитон. В случае наличия мощного источника энергии в условиях сильного магнитного поля может реализоваться автоколебательный режим, приводящий к последовательности таких солитонов, следующих друг за другом. Образования солитонного типа в структуре космических струй объясняют их устойчивость и распространение на большие расстояния с малой расходимостью.
Наблюдение космических джетов с высоким пространственным разрешением, проводимое космическими и наземными телескопами, показывает, что определенная протяженная область джета представляет собой не сплошной поток вещества, а последовательность отдельных изолированных друг от друга пространственных структур. В рамках работ по моделированию космических джетов предложена модель образования дискретной структуры (стратификации) струйного течения (джета) с образованием тороидальных тейлоровских вихрей на базе использования результатов исследований течения Куэтта — движения между вращающимися цилиндрами. Роль вращающегося цилиндра при этом может играть циклотронное совместно с поступательным движение заряженных частиц, реализуемое при развитии циклотронной неустойчивости. Возникновение последовательности тейлоровских вихрей (течения Куэтта) классифицируется как развитие стохастических автоколебаний.
Показано, что развитие циклотронной неустойчивости с генерацией циклотронного излучения играет ключевую роль в ряде процессов в плазме с магнитным полем — самолокализации плазмы в виде солитонов, преобразования вращательного движения плазмы в поступательное, циклотронного ускорения заряженных частиц, разделения (стратификации) плазменной струи на отдельные плазменные образования. На основе этого предложена модель астрофизических токовых струй (джетов), состоящих из дискретной последовательности тороидальных равновесных плазменных структур.
Рисунок 5. Космический джет с последовательностью тейлоровских вихрей. Источник: Астрономический журнал РАН.
«Лабораторная астрофизика является одним из актуальных и быстро развивающихся направлений научных исследований, — рассказал Владимир Крайнов, профессор кафедры теоретической физики имени Ландау МФТИ. — Созданная в АО “ЦНИИмаш” лазерная установка стала экспериментальной основой исследований. Одной из интересных тем явилось изучение динамики мощных потоков плазмы в магнитных полях. Интерес к проблемам динамики мощных потоков плазмы в магнитных полях обусловлен рядом актуальных, связанных с ней проблем фундаментальной и прикладной физики. Среди таких проблем: природа образования, процесс трансформации энергии, механизм устойчивости астрофизических джетов; генерация мощных потоков плазмы как основы принципиально новых высокоэффективных технологий, в том числе ракетных двигательных; перспективность применения замагниченных плазменных структур в качестве драйвера ядерных реакций синтеза. Все эти проблемы объединены большой, часто определяющей, ключевой ролью магнитного поля в плазменных процессах, сильно различающихся по пространственным и временным масштабам».
За организацию и проведение полезных дискуссий по теме исследований авторы выражают благодарность программе 10 «Экспериментальная Лабораторная Астрофизика и Геофизика» НЦФМ. Работа поддержана также Министерством науки и высшего образования РФ (№ FSMG-2023-0013).
