Учёные изучают солнечную плазму на столе

Публикуется в рамках конкурса научной журналистики № 101

Согласитесь, было бы здорово, если бы можно было разместить Солнечную систему на лабораторном столе и детально изучить все протекающие в ней процессы! Удивительно, но иногда учёным это практически удаётся.

Многие процессы можно масштабировать — то есть пропорционально уменьшить все масштабы так, чтобы ничего качественно не изменилось. В недавно опубликованной в журнале Nature Communications статье это свойство было использовано для наблюдения в лаборатории процесса, который встречается во многих астрофизических условиях — магнитной турбулентности.

Турбулентность — одно из фундаментальных явлений, наблюдающихся в газах и жидкостях. В астрофизике турбулентные движения осложняются тем, что, во-первых, вещество представляет собой плазму — то есть состоит из заряженных ионов и электронов, — а во-вторых, эта плазма практически всегда находится в магнитных полях. Таким образом, говорят о магнитной турбулентности.

В обсуждаемой статье для генерации магнитной турбулентности использовался мощный лазерный импульс. Он посылался на слой алюминия, в результате чего образовывалась плотная плазма, которая начинала разлетаться. В ходе этого разлёта плазма переходила в режим турбулентности, и в ней генерировались магнитные поля, в десятки раз более сильные, чем могут создать электромагниты.

Схема эксперимента (слева) и пример распределения магнитных полей с их пространственным спектром (справа). © G. Chatterjee et al. // Nature Communications 8, 15970 (2017)

Магнитные поля измеряли при помощи дополнительного лазерного импульса небольшой мощности, который пускался на мишень с некоторой задержкой. Эксперимент повторялся несколько тысяч раз с разной задержкой измеряющего импульса, что позволило изучить, как магнитные поля меняются со временем.

Оказалось, что через некоторое время после начала разлёта плазмы структура магнитных полей меняется. В начале ионы двигаются так быстро, что практически не замечают магнитного поля, которое заметно влияет только на движение электронов, однако когда скорость движения ионов падает, они тоже начинают чувствовать магнитное поле.

Аналогичные процессы, по всей видимости, протекают и в солнечном ветре — когда из недр Солнца выбрасываются в окружающее пространство потоки замагниченной плазмы. Таким образом, применение мощных лазеров позволяет глубже заглянуть в физику космических явлений и лучше понять их природу.