Scienty

Ученые из ИТМО разработали способ создания лабораторной модели галактики. Их предложение заключается в имитации ее динамики посредством атомарных ионов, удерживаемых в ловушке. Такой метод, в отличие от традиционных астрофизических моделей, дающих лишь ориентировочные данные, открывает возможности для проведения лабораторных экспериментов и позволяет получить более достоверное объяснение того, как и почему меняется движение звезд вокруг центра галактики и как она претерпевает изменения. Исследование, получившее поддержку гранта РНФ, опубликованы в журнале International Journal of Bifurcation and Chaos.

Фото: img.freepik.com

Космос представляет собой сложную, постоянно меняющуюся и нелинейную систему. Это подразумевает, что даже незначительные изменения в исходных параметрах могут вызывать непредсказуемые последствия. В связи с этим, прогнозирование астрономических явлений в масштабах Вселенной, подобно прогнозированию погоды, возможно только на ограниченный период времени. Для решения этой задачи ученые применяют различные математические модели, среди которых выделяется потенциал Хенона-Хейлеса. Он дает возможность исследовать закономерности движения звезд вокруг галактического центра как посредством численных, так и аналитических методов, то есть не только определить условия, при которых регулярное движение звезды переходит в хаотическое, но и понять причины этого явления. Тем не менее, методы математического моделирования в физике всегда предполагают определенные упрощения, необходимые для того, чтобы математическое описание стало принципиально возможным. Подобные упрощения неизбежно сопряжены с потерей информации о рассматриваемой системе, а проведение эксперимента на настоящих космических объектах и проверка полученных результатов – задача невыполнимая.

Ученые из международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО установили, что потенциал Хенона-Хейлеса, традиционно используемый в астрофизике, может быть воспроизведен при движении атомарных ионов в специально созданных ловушках. Это открывает возможность использования ионов в качестве аналогов звезд для проведения астрофизических экспериментов в лабораторных условиях.

«Использование подхода Хенона-Хейлеса позволяет вывести систему дифференциальных уравнений, анализ которых наглядно демонстрирует, при каких обстоятельствах и посредством каких механизмов происходит переход от периодического движения космообъектов к хаотическому. Однако, математическое описание предоставляет лишь приблизительное решение. В результате проведенных исследований мы получаем возможность моделировать одну физическую систему через другую, что открывает перспективы для моделирования Вселенной, изучения и воздействия на астрофизические процессы. Представляя космообъекты в виде ионов, нано- и микрочастиц, удерживаемых в ловушке, мы сможем воссоздать достаточно реалистичную космическую систему в лабораторных условиях и выяснить, почему и как меняется траектория звезд по отношению к центру галактики, а также как эта траектория может изменяться» , — по словам одного из авторов исследования, руководителя лаборатории в международном научно-образовательном центре физики наноструктур ИТМО Семен Рудый.

Для воссоздания астрономических явлений в лабораторных условиях исследователи разработают инновационную конструкцию уловителя частиц. Она будет состоять из двух стеклянных оснований, на которые нанесены электроды, изготовленные из оксида индия-олова. Данная компоновка обеспечит формирование необходимого распределения электрического поля, что позволит наблюдать и изучать перемещение ионов с использованием оптических технологий.

«Обнаружение возможности применения потенциала Хенона-Хейлеса, заимствованного из астрофизики, для решения задач нелинейной динамики наночастиц оказалось неожиданно приятным открытием. Как правило, физические принципы, действующие в макромире, не применимы к микромиру, и наоборот, поскольку атомарные ионы могут проявлять свойства квантовых объектов. В рамках данного исследования мы ограничивались классической физикой, что позволяет предположить, что кажущиеся совершенно различными хаотические системы, по сути, руководствуются одними и теми же закономерностями и способны к взаимному воспроизведению» , — пояснил руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Дмитрий Щербинин.

Работа была поддержана Российским научным фондом (грант №24-79-00225).

Материалы и фотографии предоставлены пресс-службой Университета ИТМО