Эксперимент университетов Оксфорда, Рочестера и Чикаго провели в National Ignition Facility. Для воссоздания экстремальных условий внутренних частей гигантских скоплений галактик потребовалось не менее 196 лазеров. Большая часть материи в этих скоплениях находится в виде горячей турбулентной плазмы, но ученые не могли объяснить, почему этот ионизированный газ кажется намного горячее, чем предсказывает теория. Воссоздание этих условий плазмы в лаборатории позволило решить загадку.
Скопления галактик образуют структуры из свыше ста и до нескольких тысяч галактик, объединенных гравитацией. Наша галактика входит в Местную группу (состоящую приблизительно из тридцати галактик), которая в свою очередь является частью суперкластера Девы. Галактические скопления являются крупнейшими известными структурами видимой Вселенной. Их заполняет горячая, размытая плазма, пронизанная магнитными полями и излучающая рентгеновские лучи.
Ученым известно, что водородный газ в скоплениях галактик очень горячий (около 10 миллионов градусов, как в центре Солнца), настолько, что атомы водорода не существуют; газ превращается в плазму протонов и электронов. Согласно физике, этот газ должен был остыть со временем. Однако даже спустя миллиарды лет он остается очень горячим, и специалисты не знают причины этого. Чтобы разгадать эту загадку, международная группа астрофизиков решила воссоздать эти условия в лаборатории с помощью Национальной установки зажигания (NIF).
NIF — исследовательский лазер Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора в Ливерморе. С мощностью 500 тераватт на долю секунды, NIF является самой мощной установкой в мире и подходит для моделирования процессов внутри самых крупных объектов во Вселенной. Эксперименты на NIF буквально из ряда вон выходящие— заявила Джена Майнеке, физик плазмы из Оксфордского университета и главный автор исследования.
Майнеке и ее соратники провели эксперимент с фокусировкой 196 лазеров на мишени размером с монету — двух полистироловых дисках, разделенных на расстояние в 8 мм, и двух пластиковых решетках. Получилась сверхгорячая плазма с интенсивными магнитными полями. Она существовала всего несколько миллиардных долей секунды, но этого хватило исследователям, чтобы найти объяснение длительному нагреву галактической плазмы.
Обнаружили, что температура внутри плазмы неравномерна: некоторые точки горячие, другие — более прохладные. Наблюдения подтвердили одну из теорий о том, как тепло улавливается внутри скоплений галактик. В классических газах и плазме тепловые потоки пропорциональны температурным градиентам — столкновения частиц опосредуют поток энергии от более горячих к более холодным областям. .
Внутри скоплений галактик магнитные поля воздействуют на движение электронов, которые вращаются по направлению этих полей и поэтому хуже распределяют свою энергию. Эксперименты NIF особенны тем, что электроны в плазме редко сталкиваются достаточно сильно, чтобы следовать запутанным линиям магнитного поля. — разъясняет доктор Арчи Ботт, исследователь из Принстонского университета и соучредитель исследования.
Неясны сложные физические явления.
«Для изучения физики турбулентной и намагниченной плазмы понадобилось моделирование, но степень подавления теплового переноса превысила прогнозы. «- говорит Петрос Цеферакос, астрофизик из Рочестерского университета и соавтор исследования. Результаты эксперимента удивительны, поскольку показывают, что энергия передается совсем иначе, чем предсказывает теория. Команда сообщает, что проводимость энергии уменьшилась более чем в 100 раз; карманы горячей плазмы, из которых тепло не может выйти, сохраняются длительное время.
Моделирование осуществлялось с помощью кода FLASH, созданного для изучения физики плазмы и размещенного в Центре вычислительной науки Flash при Рочестерском университете. Данный код дает возможность ученым детально моделировать лазерные эксперименты до их проведения. Из-за малой продолжительности рассматриваемого эксперимента (всего доли секунды) важно заранее убедиться, что все пройдет успешно и измерения окажутся желаемыми.
Хотя исследователям удалось разобраться с работой теплопроводности в галактических скоплениях, есть и другие вопросы. Наличие горячих и холодных участков подтверждает влияние магнитных полей на охлаждение горячего газа в этих скоплениях. Но микроскопические процессы, замедляющие теплообмен, остаются неизвестными. Команда планирует проводить дальнейшие эксперименты на NIF в конце года для лучшего понимания этого явления.