Ученые Московского физико-технического института провели моделирование космических джетов с использованием протонов на лазерной установке. В итоге, удалось получить пучок протонов с очень малым углом расходимости и разработать теоретическую модель, объясняющую результаты экспериментов. Работа была проведена на базе Центрального научно-исследовательского института машиностроения. Результаты исследования опубликованы в Астрономическом журнале РАН.
Космические джеты представляют собой мощные струи плазмы, в которых частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Они формируются в результате сложных процессов, происходящих в аккреционных дисках вокруг черных дыр и нейтронных звезд. Во время формирования диска выделяется энергия, способная выбрасывать в космос вещество и излучение. Космические джеты исследуют с помощью радиотелескопов и рентгеновских обсерваторий. Однако, теоретическое и экспериментальное моделирование играет важную роль в понимании данного феномена.
Экспериментальная основа исследования была создана на лазерной установке, где мощные лазерные импульсы длительностью в одну пикосекунду (одна миллионная доля от одной миллионной доли секунды) были сфокусированы на пятне диаметром 10 микрометров на поверхности тонкой медной мишени. В результате, как и предсказывали теоретические разработки, после облучения мишени сформировался почти параллельный пучок протонов, движущийся практически со скоростью света. Он и стал лабораторной моделью космического джета.
Ученые выяснили, что ключевую роль в формировании протонного пучка играет циклотронная неустойчивость. Этот процесс приводит к возникновению токов, которые усиливают магнитное поле вдоль оси пучка, создавая положительную обратную связь. В результате пучок закручивается и сужается, разгоняя частицы в одном направлении и разделяя плазменную струю на отдельные образования. Для объяснения наблюдаемых результатов физики предложили модель дискретной структуры протонного пучка с образованием тороидальных вихрей.
«Нам удалось теоретически и экспериментально продемонстрировать, что развитие циклотронной неустойчивости с генерацией циклотронного излучения играет ключевую роль в ряде процессов в плазме с магнитным полем: самолокализации плазмы в виде солитонов, преобразовании вращательного движения плазмы в поступательное, циклотронном ускорении заряженных частиц, разделении (стратификации) плазменной струи на отдельные плазменные образования», — рассказал профессор кафедры теоретической физики им. Л.Д. Ландау МФТИ Владимир Крайнов.
По словам ученых, понимание процессов, происходящих в космических джетах, может привести к новым открытиям в области астрофизики и помочь в разработке технологий, основанных на управлении плазмой. Они могут найти применение в энергетике, медицине, например, в радиотерапии, и даже в космических полетах.
