Мощные и высокоэнергетические ударные волны солнечных вспышек и выбросы корональной массы Солнца пронизывают всю Солнечную систему. Они вызывают магнитные бури в космосе, которые могут повреждать спутники, нарушать работу коммуникационных сетей и даже вызывать отключение электричества на Земле. И солнечный ветер тоже «гонит» высокоэнергетические волны. При этом солнечный ветер представляет собой поток плазмы, который непрерывно исходит от Солнца и попадает в защитное магнитное поле Земли.
Солнечная вспышка, зарегистрированная NASA. © NASA
И вот теперь в ходе экспериментов исследователей из Лаборатории физики плазмы Принстона (PPPL) Министерства энергетики США в Центре гелиофизики Принстона впервые был смоделирован процесс, лежащий в основе источника таких ударных волн. Полученные результаты значительно сокращают разрыв между лабораторными и спутниковыми наблюдениями и дополняют наши знания о том, как работает вселенная.
Внезапные скачки
Эксперименты описаны в новом номере Physical Review Letters и их результаты показывают, как взаимодействие плазмы (состояние вещества со свободными электронами и атомными ядрами или ионами) может вызвать внезапные скачки давления и напряженности магнитного поля, которые могут ускорять частицы почти до скорости света. Такие ударные волны являются «бесстолкновительными», потому что они вызваны взаимодействиями волн и частиц плазмы, а не столкновениями между самими частицами.
В процессе исследований были проведены измерения комплексного происхождения этих ударных волн. «Прямые измерения — это элегантный способ увидеть, как частицы движутся и взаимодействуют», — сказал физик Дерек Шеффер из PPPL и Принстонского университета, ведущий исследователь проекта. — «Наше исследование показывает, что мы можем использовать мощные и высокопроизводительные средства диагностики для изучения движений частиц, которые и приводят к возникновению ударных волн».
Исследование проводилось с помощью установки Omega Laser Facility в Университете Рочестера. Для этого была создана лазерная плазма (так называемая плазма поршня), которая распространялась со сверхзвуковой скоростью (более 1,6 миллиона километров в час) через уже существующую спокойную плазму. Это расширение ускорило ионы в спокойной плазме до скоростей около 0,8 миллиона километров в час и имитировало предвестник «бестолкновительных» ударных волн, которые возникают по всей вселенной.
Исследование проходило в несколько этапов
Сначала создание плазмы поршня воспроизвело сверхзвуковую плазму, возникающую в дальнем космосе. Плазма поршня действовала подобно снежному плугу, поглощая ионы, встроенные в неподвижную плазму в магнитном поле.
Когда вместе собралось множество таких ионов, они образовали барьер, который не позволял плазме поршня продолжать действовать. «Как только накапливается достаточно «снега», ударная волна отделяется от плазмы поршня», — поясняет Шеффер.
В результате, остановленная плазма поршня переносит ударную волну в сильно сжатую замагниченную плазму, что и вызывает внезапные скачки без всяких столкновений и ударов.
Для отслеживания этих событий исследователи использовали диагностику рассеяния Томпсона. Средства диагностики регистрируют при этом лазерное излучение, рассеянное электронами в плазме, что позволяет измерять температуру и плотность электронов, а также скорость ионов. По мнению авторов, результаты показывают, что лабораторные эксперименты в полной мере способны исследовать поведение частиц плазмы в предшественнике бесстолкновительных астрофизических ударных волн. «Они могут дополнять, а в некоторых случаях и превосходить пределы сопоставимых измерений спутниковых миссий», — говорят исследователи.
Большая цель
Хотя это исследование имитирует процесс, вызывающий ударные волны, конечной целью является все же измерение частиц, ускоряемых ударными волнами. По словам Шеффера, для этого шага можно было бы использовать ту же диагностику, но только после того, как будет обеспечена ее способность генерировать достаточно сильные ударные волны. «В качестве бонуса можно сказать, что эта диагностика сравнима с той, когда спутники измеряют движение частиц в ударных волнах в космосе. А это значит, что будущие результаты можно будет сравнивать напрямую».
