Эволюция звезд в лабораторных условиях. Миллионы лет в наносекундах лазерного импульса

В Лаборатории по использованию интенсивных лазеров Политехнической школы (LULI Ecole Polytechnique, Франция) сотрудниками НИЯУ МИФИ и ряда других ведущих научных центров проводились исследования в области лабораторной астрофизики. С помощью комбинированного воздействия на специальные мишени лазерных импульсов высокой энергетики и сильного внешнего магнитного поля в лабораторных условиях моделировались аккреционные процессы в двойных звездных системах.

Один из участников эксперимента – руководитель международной лаборатории «Радиационные методы диагностики и радиационные технологии с использованием сверхинтенсивного лазерного излучения» Института лазерных и плазменных исследований (ЛаПлаз), доцент кафедры «Физика плазмы» Сергей Пикуз рассказал, каким образом можно исследовать эволюцию астрофизических объектов и влияет ли магнитное поле на развитие плазменной струи.

- Наше партнерство непосредственно с сотрудниками лаборатории LULI ведется в основном по части лабораторной астрофизики, а именно по моделированию с помощью лазерной плазмы гидродинамических явлений в астрофизических объектах. Например, выбросов из полярных областей молодой звезды, ударных волны, процессов в магнитосфере звезд, протяженных плазменных струй, которые в астрономии наблюдаются как некая цепочка из ярких узлов, последовательно идущих друг за другом. Большинство этих явлений можно смаштабировать до лабораторных размеров и масштабов времен и изучать в контролируемых условиях.

Наблюдая за астрономическими процессами, мы видим один кадр по времени, однако весь процесс идет миллионы лет. В лаборатории мы можем посмотреть за различными стадиями эволюции астрофизических объектов

- В чем уникальность данного эксперимента?

- Наш эксперимент интересен тем, что, помимо комбинаций двух лазеров, использовался импульсный магнит, который создавал магнитное поле до 20 Тл и воздействовал на плазму наносекундной длительности. Фактически нам надо было ответить на вопрос: каким образом сформированная наносекундным лазером плазменная струя эволюционирует при распространении в вакууме в присутствии внешнего магнитного поля, и насколько это поле меняет процесс взаимодействия такой струи с твердотельной преградой. Другая особенность заключалась в мишенной сборке, которая представляла собой слоистую мишень для наносекундного лазера толщиной в несколько десятков микрон и сопряженную с ней на расстоянии 2-3 мм массивную плоскую и прозрачную пластину - из кварца либо галлий-гадолиний-граната. При этом лазер энергией в сотни Дж и с достаточно широким фокальным пятном около 0.5 мм облучал основную мишень, в результате чего на ее тыльной поверхности формировалась плазменная струя содержащая смесь ионов олова и легких элементов, с квази-плоским разлетом. В процессе взаимодействия плазменного потока с преградой образовывалась обратная ударная волна. Мы проследили процесс ее развития и формирования в зависимости от параметров эксперимента.

За три недели эксперимента было сделано порядка 60 лазерных «выстрелов», по четыре лазерных импульса в день.

- Какое это имеет отношение к астрофизике?

- Например, у нас есть система парных звезд. Одна звезда выступает в качестве донора вещества, другая – в качестве акцептора, то есть если у нас имеется более массивное гравитационномощное тело, то оно начинает притягивать вещество второй звезды. Получается переток материи из одной звезды в другую. Он выглядит как плазменная струя, которая в какой-то момент начинает взаимодействовать с фотосферой акцептора. В результате на фотосфере в процессе аккреции образуются прямая и обратная ударные волны.

Задачей эксперимента было определить, каким образом возникают ударные волны вблизи препятствия, какова степень сжатия плазменного вещества, как на наблюдаемую гидродинамику плазмы воздействует внешнее магнитное поле, и установить, насколько наблюдаемая в эксперименте эволюция соответствует результатам численного моделирования и астрономическим наблюдениям.

- Кто участвовал в эксперименте?

- Этот эксперимент проходил в рамках широкой международной коллаборации. Магнит разработали и изготовили немецкие коллеги, мишени – французские и японские, теоретические расчеты провели американцы, японцы и французы. Помимо меня и аспиранта кафедры «Физика плазы» Евгения Филиппова, в эксперименте также участвовали ученые и студенты из Франции, Германии, США, Японии и других стран.

- Какая была роль у мифистов?

- Традиционно в этих и подобных экспериментах наша роль заключается в обеспечении радиационной диагностики – это методы и подходы, которые используют ионизирующее излучение. Это могут быть рентгеновские потоки или потоки пучков ионов, которые излучаются исследуемым объектом либо вторичным источником.

В конкретном эксперименте перед нами стояла задача получить теневые радиографические изображения плазменной струи с хорошим временным разрешением, для чего источник подсветки создавался короткоимпульсным пикосекундным лазером. Он стрелял в мишень из титановой проволоки толщиной 10 мкм, создавал вторичный источник рентгеновского излучения длительностью порядка десятка пикосекунд. В итоге получалась теневая рентгеновская фотография исследуемого плазменного потока со временем экспозиции равным времени эмиссии рентгена – вторичного источника. Таким образом, можно исследовать покадровую эволюцию с разными временными задержками, получить, так сказать, покадровый мультфильм.

При этом на основании теневого изображения можно восстановить геометрию и далее измерить линейную плотность в разных сечениях исследуемого объекта. Важно, что для того, чтобы из наблюдаемой теневой картины восстановить линейную плотность, необходимо максимально точно установить спектр зондирующего излучения, чем мы также занимались.

- Какие результаты эксперимента можете назвать на данный момент?

- Конечно, о каких-либо окончательных научных выводах говорить еще очень рано. Но уже можно сказать, что для данной экспериментальной ситуации магнитное поле оказывает весьма незначительное влияние на развитие процесса. По крайней мере, в эксперименте наблюдается хороший плоский разлет плазмы, плоское взаимодействие с преградой и образование ударных волн в набегающем потоке как в присутствии, так и в отсутствии магнитного поля.

Важным моментом в этом исследовании является проверка и уточнение численных кодов трехмерного моделирования магнитогидродинамических процессов в плазме, которые разрабатываются коллаборацией из французского комиссариата по атомной энергии и Университета Чикаго. Причем уже сейчас такие коды с удивительной точностью описывают то, что мы наблюдаем в эксперименте.