Ученые воссоздают плазму аналогичной внутри огромных скоплений галактик
Эксперимент, возглавляемый университетами Оксфорда, Рочестера и Чикаго, проводился в Национальном центре зажигания. Потребовалось не менее 196 лазеров, чтобы воспроизвести особые условия, преобладающие во внутренних частях гигантских галактик. Большинство проблем этих скоплений проявляется в виде горячей турбулентной плазмы, но ученые не могут объяснить, почему этот ионизированный газ гораздо горячее, чем предсказывает теория. Реконструкция состояния этой плазмы в лабораторных условиях позволила полностью раскрыть эту тайну.
Скопления галактик состоят из более чем 100 000 галактик, связанных между собой гравитацией. Наша галактика также принадлежит к кластеру. Точнее, она является частью локальной группы (содержащей около 30 галактик), которая сама принадлежит к суперкластеру Девы. Скопления галактик — самые крупные из известных структур видимой Вселенной. Они заполнены горячей диффузной плазмой, через которую проходят магнитные поля и которая испускает рентгеновские лучи.
Ученым давно известно, что водородный газ в этих скоплениях галактик чрезвычайно горячий (в центре Солнца около 10 миллионов градусов Цельсия, поскольку атомы водорода не могут существовать). Газ преобразуется в протоны и электроны плазмы. Согласно законам физики, этот газ должен был со временем остыть. Но даже спустя миллиарды лет он остается очень горячим, и специалисты не могут понять, почему. Чтобы решить эту загадку, международная группа астрофизиков решила воссоздать эти экстремальные условия в лаборатории с помощью установки NIF (National Instrumentation Foundation).
NIF — это исследовательский лазер в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора в Ливерморе и самая мощная лазерная установка в мире (способная производить 500 мощностей терракта в течение одной секунды). «Самый большой объект во Вселенной; эксперименты на NIF — это буквально норма», — говорит Джена Минеке, физик плазмы из Оксфордского университета и ведущий автор исследования.
Читайте также: С помощью радиотелескопа LOFAR обнаружены мегагало: они окутывают целые скопления галактик
Группа международных исследователей из руководства Гамбургского университета обнаружила четыре радиоисточника — мегагалактики, размеры которых достигают..
В эксперименте, проведенном Минеке и ее коллегами, 196 установленных лазерных очагов создали сверхновую плазму в двух пластиковых решетках, разделенных 8 мм, в маленькие (размером с монету) мишени (два полистироловых диска и две пластиковые решетки). Сильное магнитное поле. Эта плазма поддерживалась защитной зоной всего несколько сотен миллионов секунд. Исследователи сочли это достаточным, чтобы найти объяснение длительному нагреву галактической плазмы.
Они обнаружили, что температура в плазме была неравномерной. Одни точки были горячими, другие — холодными. Эти наблюдения подтвердили одну из предложенных теорий о том, как происходит захват тепла в скоплениях галактик. Известно, что классические тепловые потоки газа и плазмы пропорциональны градиентам температуры — столкновениям частиц, объясняют исследователи из научного журнала Progress.
Однако внутри скоплений галактик магнитные поля явно влияют на движение электронов. Электроны закручиваются в этом направлении и не могут равномерно распределять свою энергию. Уникальность этих экспериментов NIF заключается в том, что электроны плазмы сталкиваются настолько редко, что в итоге следуют за нарушенной системой магнитных полей», — объясняет доктор Арчи Ботт, исследователь Принстонского университета и соавтор исследования.
Сложные физические процессы, которые еще предстоит определить
Петрос Цеферос, астрофизик из Университета Роше и соавтор исследования, добавляет: «Экспериментальные результаты показывают, что линии магнитного поля не настолько сильны, как предсказывает теория. Экспериментальные результаты действительно поразительны. Они показывают, что энергия передается так, как предсказывает теория». В результате эксперимента команда заявила, что проводимость энергии уменьшилась более чем в 100 раз». Продолжительность.
Моделирование проводилось с помощью кода Flash, который специально разработан для исследований в области физики плазмы и находится в Вычислительном научном центре Университета Flash. Код позволяет ученым детально моделировать лазерные эксперименты до их проведения. Рассматриваемый эксперимент длится всего несколько секунд, поэтому очень важно, чтобы все прошло гладко и были получены нужные измерения.
Исследователям удалось разгадать внутренние механизмы теплопроводности в скоплениях галактик, но остаются и другие вопросы. Наличие высоких температур и холодных пятен доказывает, что магнитные поля действительно влияют на охлаждение горячего газа в скоплениях галактик, но микроскопические механизмы, подавляющие теплопередачу, остаются загадкой. Команда планирует дальнейшие эксперименты на NIF в конце этого года, чтобы лучше понять это явление.
