Эксперимент, возглавляемый университетами Оксфорда, Рочестера и Чикаго, проводился в National Ignition Facility: потребовалось не менее 196 лазеров, чтобы воссоздать экстремальные и особые условия, преобладающие во внутренних частях гигантских скоплений галактик. Большая часть материи в этих скоплениях находится в форме горячей, турбулентной плазмы, но ученые не могут объяснить, почему этот ионизированный газ кажется намного горячее, чем предсказывает теория. Воссоздание этих условий плазмы в лаборатории позволило окончательно решить эту загадку.
Скопления галактик состоят из более чем сотни и до нескольких тысяч галактик, связанных между собой гравитацией. Наша галактика также принадлежит к кластеру; точнее, она является частью Местной группы (в которую входит около 30 галактик), которая сама принадлежит к суперкластеру Девы. Галактические скопления — самые крупные из известных структур в видимой Вселенной. Они заполнены горячей, диффузной плазмой, через которую проходят магнитные поля и которая излучает рентгеновские лучи.
Ученым давно известно, что водородный газ в этих скоплениях галактик чрезвычайно горячий (около 10 миллионов градусов, такая же температура, как в центре Солнца), настолько горячий, что атомы водорода не могут существовать; газ превращается в плазму протонов и электронов. Согласно законам физики, этот газ должен был со временем охладиться. Однако даже спустя миллиарды лет он остается чрезвычайно горячим, и специалисты не могут понять, почему. Чтобы разгадать эту загадку, международная группа астрофизиков решила воссоздать эти экстремальные условия в лаборатории, используя Национальную установку зажигания (NIF).
NIF - это исследовательский лазер, расположенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора в Ливерморе и являющийся самой мощной лазерной установкой в мире (способной генерировать 500 тераватт мощности в течение доли секунды), что делает его идеальным для моделирования того, что происходит внутри самых больших объектов во Вселенной.
"Эксперименты на NIF буквально из ряда вон выходящие", — сказала Джена Майнеке, физик плазмы из Оксфордского университета и ведущий автор исследования. Эксперимент, проведенный Майнеке и ее коллегами, включал фокусировку 196 лазеров установки на крошечной (размером с монету) мишени — двух полистироловых дисках, разделенных 8 мм, и двух пластиковых решетках — для создания сверхгорячей плазмы, сопровождаемой интенсивными магнитными полями. Эта плазма поддерживалась всего несколько миллиардных долей секунды, но этого оказалось достаточно, чтобы исследователи нашли объяснение длительному нагреву галактической плазмы.
Они обнаружили, что температура внутри плазмы неоднородна: одни точки были горячими, другие — более холодными. Эти наблюдения подтвердили одну из предложенных теорий о том, как тепло улавливается внутри скоплений галактик. Известно, что в классических газах и плазме тепловые потоки пропорциональны температурным градиентам — столкновения частиц опосредуют поток энергии от более горячих к более холодным областям, объясняют исследователи в Science Advances.
Но внутри скоплений галактик, как оказалось, магнитные поля влияют на движение электронов, которые закручиваются в их направлении и поэтому менее способны равномерно распределять свою энергию.
"Уникальность этих экспериментов NIF заключается в том, что электроны в плазме редко сталкиваются друг с другом настолько, чтобы в итоге следовать за запутанными линиями магнитного поля", — объясняет доктор Арчи Ботт, исследователь из Принстонского университета и соавтор исследования. Сложные физические процессы, которые еще предстоит определить "Моделирование было необходимо для раскрытия физики турбулентной и намагниченной плазмы, но уровень подавления теплового переноса оказался выше наших ожиданий", — говорит Петрос Цеферакос, астрофизик из Рочестерского университета и соавтор исследования.
Экспериментальные результаты действительно удивительны, поскольку они показывают, что энергия переносится совсем не так, как предсказывает теория. В результате эксперимента команда сообщает, что проводимость энергии уменьшилась более чем в 100 раз; карманы горячей плазмы, из которых тепло не может выйти, сохраняются в течение долгого времени.
Моделирование проводилось с помощью кода FLASH, который специально разработан для изучения физики плазмы и размещен в Центре вычислительной науки Flash при Рочестерском университете. Этот код позволяет ученым детально моделировать свои лазерные эксперименты перед их проведением. Поскольку рассматриваемый эксперимент длится лишь крошечную долю секунды, очень важно заранее убедиться, что все пройдет гладко и можно будет получить желаемые измерения.
Хотя исследователям удалось разгадать внутреннюю работу теплопроводности в галактических скоплениях, остаются и другие вопросы. И хотя существование горячих и холодных пятен доказывает, что магнитные поля оказывают реальное влияние на охлаждение горячего газа в галактических скоплениях, микроскопические механизмы, ответственные за подавление теплового переноса, остаются загадкой. Команда уже планирует дальнейшие эксперименты на NIF в конце этого года, чтобы попытаться лучше понять это явление.