Когда вы вглядываетесь в ночное небо, большая часть того, что вы видите – это плазма, вязкая смесь ультра-горячих атомных частиц. Для изучения плазмы в звездах и других формах в космическом пространстве необходим телескоп, однако ученые могут воссоздать ее в лаборатории, чтобы изучить более внимательно.
Недавно группа ученых во главе с Лан Гао из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Эдисоном Ляном из Университета Райса впервые создала особую форму когерентной и намагниченной плазменной струи. Она может значительно углубить понимание того, как работают гораздо более крупные струи, исходящие от новорожденных звезд и, возможно, черных дыр – космических объектов, настолько массивных, что они захватывают свет, а также деформируют пространство и время.
«В настоящее время мы создаем стабильные, сверхзвуковые и сильно намагниченные плазменные струи в лаборатории, которые могут позволить нам изучать астрофизические объекты, расположенные в нескольких световых годах от нас», – отметил астрофизик Лян, соавтор статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters.
Команда создала струи, воспользовавшись комплексом OMEGA Laser Facility в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера. Исследователи направили 20 отдельных лазерных лучей OMEGA в кольцевую область на пластмассовую мишень. Каждый лазер создавал крошечный слой плазмы; по мере того как слои расширялись, они давили на внутреннюю область кольца. Это давление затем выдавило плазменную струю, достигшую более четырех миллиметров в длину, и создало магнитное поле, которое имело силу более 100 Тл.
«Это первый шаг в изучении плазменных струй в условиях лаборатории», – заявила Гао, которая была главным автором статьи. «Я очень взволнована этим достижением, потому что мы не только создали струю, но еще и успешно использовали расширенную диагностику на OMEGA, чтобы подтвердить формирование струи и охарактеризовать ее свойства».
Диагностические инструменты, разработанные командами из LLE и Массачусетского технологического института (MIT), позволили измерить плотность, температуру и длину струи, а также насколько хорошо она удерживала свою структуру, когда росла в пространстве, и форму магнитного поля вокруг нее. Измерения могут помочь ученым определить, как лабораторные струи отличаются от аналогичных явлений в космическом пространстве. Они также создали основу, которую исследователи могут использовать, чтобы наблюдать за тем, как плазма ведет себя в различных условиях.
«Это новаторское исследование, потому что ни одна другая команда еще ни разу не запускала сверхзвуковую струю с узкими лучами и таким сильным магнитным полем, распространяющимся на значительные расстояния», – заявил Лян. «Это первый случай, когда ученые продемонстрировали, что магнитное поле не просто охватывает струю, но также распространяется параллельно ее оси».
Исследователи надеются расширить свои исследования с использованием более крупных лазерных установок и изучить другие типы явлений. «В будущем мы собираемся выяснить, может ли внешнее магнитное поле сделать струю более длинной и коллимированной», – добавила Гао.
«Мы также хотели бы повторить эксперимент в научном комплексе National Ignition Facility при Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, где имеются 192 лазерных луча, половина из которых может быть использована для создания нашего плазменного кольца. Он будет иметь больший радиус и, следовательно, производить более длинную струю, чем при использовании OMEGA. Этот процесс поможет нам выяснить, при каких условиях усиливается плазменная струя».