Физики помогли увидеть, как плазма запускает свой «двигатель»

Космические джеты образуются не только возле черных дыр, подходящие условия для их формирования возникают рядом с молодыми звездами, в так называемых объектах Хербига—Аро. Эти объекты образуются, когда газ, выброшенный молодыми звездами, вступает во взаимодействие с близлежащими облаками газа и пыли на скоростях в несколько сотен километров в секунду.

Установки плазменного фокуса существуют уже более 70 лет, и за это время они превратились в один из главных инструментов изучения сильноточных плазменных разрядов. Принцип их работы прост: мощный импульс электрического тока разгоняет газовую оболочку, которая стремительно схлопывается к оси установки, формируя раскаленный плазменный жгут — так называемый пинч.

В момент максимального сжатия плотность и температура плазмы достигают колоссальных значений, порождая нейтронное и рентгеновское излучение, а также пучки заряженных частиц. На протяжении десятилетий именно эта стадия находилась в фокусе внимания экспериментаторов. Но самое интригующее происходит позже: когда пинч разрушается, из него вырывается узкий плазменный поток, летящий со сверхзвуковой скоростью. Начальная скорость такого потока превышает 100 километров в секунду и слабо зависит от рода рабочего газа, а сам поток способен сохранять удивительную компактность на расстояниях, многократно превышающих его поперечный размер.

Именно эти потоки превратили плазменный фокус из чисто «энергетической» установки в уникальный стенд для лабораторного моделирования астрофизических джетов, выбрасываемых из объектов Хербига—Аро.

Мощные лазеры, Z-пинчи и другие установки применяются для лабораторного воссоздания похожих на них объектов. Установки плазменного фокуса оказываются способны воспроизводить ключевые безразмерные параметры джетов — число Маха порядка 10 и более, число Рейнольдса порядка десятков и сотен тысяч, контраст плотностей потока и окружающей среды от 1 до 10, температуру плазмы в несколько электронвольт. Все это делает их миниатюрной, но физически адекватной копией космического «мотора».

Однако при всей успешности экспериментов ключевой вопрос оставался открытым: что именно запускает плазменный поток? Откуда берутся та первоначальная энергия и импульс, которые выбрасывают сгусток плазмы вдоль оси установки?

На протяжении десятилетий физики предлагали различные гипотезы. Одни считали, что плазма выстреливает за счет кумулятивного эффекта при схождении токонесущей оболочки к оси — подобно тому, как кумулятивный заряд формирует пробивающую броню металлическую струю. Другие полагали, что ответ кроется в развитии «сосисочной» неустойчивости на теле пинча: перетяжки стягивают плазменный жгут, и вещество под давлением вырывается из горловины наружу. Обе гипотезы выглядели правдоподобно, однако убедительных экспериментальных доказательств ни одной из них получить так и не удавалось. Необходимость разобраться в механизме генерации потока становилась все более важной, особенно в контексте лабораторного моделирования джетов молодых звезд.

Группа российских физиков решила заглянуть в самое сердце процесса — в ту узкую область на вершине токонесущей плазменной оболочки, где, по предварительным наблюдениям на различных установках, зарождался поток. Эксперименты проводились на установке плазменного фокуса при энергии разряда 28 килоджоулей. Рабочими газами служили водород и аргон — два принципиально разных по атомной массе элемента, позволяющих проверить универсальность обнаруженного явления. Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters.

Для того чтобы заснять события, длящиеся считанные наносекунды, исследователи применили два диагностических инструмента.

Первый — многокадровая система на основе электронно-оптических преобразователей, способная делать до пяти снимков плазмы с экспозицией всего 10 наносекунд и регулируемой задержкой между кадрами. Каждый кадр фиксировал распределение свечения плазмы с очень высокой детализацией.

Второй инструмент — лазерное зондирование на базе неодимового YAG-лазера Lotis LS-2131M, работавшего на основной гармонике длиной волны 1064 нанометра и второй гармонике длиной волны 532 нанометра с длительностью импульса семь наносекунд на полувысоте. Лазерный пучок просвечивал плазму насквозь, а получаемые теневые снимки — тенеграммы — выявляли области с резкими градиентами плотности: границы токонесущей оболочки, тело пинча и любые плотные образования внутри разряда. Угловая апертура регистрирующей оптической системы составляла четыре тысячных радиана, что обеспечивало чувствительность даже к сравнительно слабым возмущениям плотности.

Обе диагностики синхронизировались относительно пика производной разрядного тока — момента, отвечающего максимальному сжатию пинча. И вот что показали результаты. На снимках, полученных до пика производной тока и в пинчевой стадии, не обнаружилось ровным счетом ничего над токонесущей оболочкой, что можно было бы принять за зарождающийся поток. Ни на фотографиях в видимом свете, ни на теневых кадрах лазерного зондирования. Оболочка поднималась над уровнем анода под действием сил магнитного давления, сжималась к оси, формировала пинч — и никакого выброса.

Более того, даже на начальной стадии развала пинча тенеграммы не фиксировали никаких объектов над оболочкой. Это сразу ставило под серьезное сомнение гипотезу о кумулятивном эффекте при сжатии: если бы поток рождался в момент столкновения стенок оболочки на оси, его следы должны были быть видны еще до пика тока или, по крайней мере, одновременно с ним.

Зато примерно через 20 наносекунд после пика производной тока картина менялась кардинально. На снимках электронно-оптических преобразователей, полученных в одном и том же разряде с различной задержкой, отчетливо проступали два ярких объекта. Один из них — компактное образование на самой вершине токонесущей оболочки, жестко привязанное к ее динамике и поднимающееся вместе с ней. Аналогичные объекты в верхней части оболочки наблюдались ранее и на других установках: ПФ-3 в Курчатовском институте, «Тюльпан» в ФИАН и PF-1000 в Варшаве, но до сих пор их природа оставалась неясной. Второй объект — стремительно удаляющийся от оболочки плазменный сгусток, скорость которого более чем вдвое превышала скорость первого объекта. Именно этот улетающий сгусток формировал хорошо заметную ударную волну — верный признак того, что движение являлось сверхзвуковым с самого момента зарождения.

Теневые снимки, выполненные при разряде в аргоне, позволили увидеть самый начальный этап рождения сгустка. Он формировался непосредственно внутри токонесущей оболочки, между ее верхней и нижней границами.

Зародыш будущего потока можно было различить уже на ранних тенеграммах — как едва заметное уплотнение, которое затем стремительно разрасталось. Набирая скорость, сгусток прорывал верхнюю границу оболочки, не повреждая нижнюю, и устремлялся вверх — строго в одном направлении, от анода. Это наблюдение оказалось принципиально важным: если бы выброс происходил из перетяжки на теле пинча, плазма разлеталась бы симметрично в обе стороны, вверх и вниз. Направленность выброса однозначно указывала на иной, несимметричный механизм.

Эксперименты в водороде подтвердили ту же картину: сначала в верхней части оболочки возникала область уплотнения с достаточно резкими границами, а затем из нее вырывался оформленный поток, прорывая верхний край оболочки. Анализ обширной базы экспериментальных данных, полученных при одинаковых условиях разряда, продемонстрировал хорошую воспроизводимость описанных процессов от выстрела к выстрелу — редкое качество для столь быстрых и турбулентных явлений.

Василий Бескин, профессор кафедры проблем физики и астрофизики МФТИ, отметил: «Когда пинч разрушается, тороидальное магнитное поле стремительно падает, и рождается мощное вихревое электрическое поле. Оно заставляет плазму дрейфовать к оси и вверх — именно туда, где мы наблюдаем зарождение выброса. Самое замечательное в том, что направление этого дрейфа совпадает с потоком электромагнитной энергии — вектором Пойнтинга. Вся энергия, запасенная в магнитном поле вокруг пинча, при его распаде устремляется в одну точку. Это тот же самый механизм, который, по нашим теоретическим моделям, управляет джетами молодых звезд,— только здесь мы впервые видим его в лаборатории».

Также ученым предстояло объяснить, почему именно вершина оболочки становится источником выброса и что придает плазме начальное ускорение. Авторы предложили теоретическую модель, которая впервые связала запуск плазменного потока с электродинамическими процессами в области распада пинча. Ключевую роль играют силы Ампера — сила взаимодействия электрического тока с магнитным полем.

Ток, текущий вдоль пинча, при достижении верхней части оболочки приобретает радиальную составляющую — растекается в стороны. Взаимодействие этого радиального тока с тороидальным магнитным полем рождает вертикальную компоненту силы, направленную вверх. Еще на стадии сжатия эта сила создает уплотнение в верхней части оболочки — своего рода «зародыш» будущего выброса. Важно подчеркнуть, что конкретный вид математической модели распределения электрических токов не играет решающей роли: силы Ампера будут направлены к вершине оболочки при любых токах, текущих вверх вдоль пинча и затем растекающихся радиально. Кроме того, холловские тороидальные токи, возникающие в верхней части оболочки, приводят к заметному усилению полоидального магнитного поля на масштабах поперечного размера плазменного шнура, то есть как раз на масштабах зарегистрированного центрального сгущения.

Настоящий же «спусковой крючок» срабатывает в момент распада пинча. Когда из-за развития магнитогидродинамических и кинетических неустойчивостей в пинче включается аномальное сопротивление, ток начинает стремительно падать. Проводимость плазмы на этой стадии составляет лишь порядка 10¹²–10¹³ обратных секунд — на два-три порядка ниже классической спитцеровской проводимости, характерной для полностью ионизированной плазмы. Резкое падение тороидального магнитного поля за характерное время порядка 10–100 наносекунд порождает мощное вихревое электрическое поле.

Это поле, в свою очередь, вызывает электрический дрейф плазмы — одновременно к оси системы и вверх от анода. Характерное смещение плазмы за время распада сопоставимо с толщиной самой оболочки — около одного сантиметра, что прекрасно согласуется с экспериментальными наблюдениями. Направление дрейфа при этом совпадает с направлением вектора Пойнтинга — потока электромагнитной энергии: в области пинча этот поток всегда направлен к оси и вверх, поскольку тороидальное магнитное поле занимает объем, многократно превышающий объем самого пинча.

Фактически вся электромагнитная энергия, запасенная в окружающем пространстве, при распаде устремляется в одно место — в верхнюю часть оболочки.

По сути, ученые обнаружили лабораторный аналог центрального двигателя, который управляет джетами молодых звезд. Токи в верхней части оболочки, усиленные холловским эффектом, создают магнитную конфигурацию, удивительно схожую с той, что предсказывается моделями астрофизических джетов. А вихревое электрическое поле, рождающееся при распаде, играет роль спускового механизма, переводящего накопленную магнитную энергию в направленное движение плазмы. Это не просто аналогия, это одна и та же физика, работающая на разных масштабах.

Обнаруженный механизм принципиально отличается от обеих ранее предлагавшихся гипотез. Ни кумулятивное сжатие оболочки, ни перетяжки на теле пинча не являются первопричиной выброса.

Поток рождается в результате чисто электродинамических процессов — взаимодействия токов и магнитных полей, усиленного холловскими эффектами и нестационарными явлениями при распаде. Установка плазменного фокуса, таким образом, предстает не просто удобным генератором плазменных струй, а полноценным лабораторным аналогом природного процесса, ответственного за формирование космических джетов.

Понимание механизма запуска плазменного потока может позволить также управлять его параметрами: скоростью, плотностью, углом расхождения. Такие управляемые плазменные потоки находят применение в технологиях обработки материалов, в разработке перспективных двигательных систем для космической техники и в исследованиях, связанных с инерциальным термоядерным синтезом.

Знание того, где именно и в какой момент рождается поток, позволяет оптимизировать конструкцию электродной системы и режим разряда.

Авторы подчеркивают, что прорыв плазменного сгустка через верхнюю границу оболочки должен сопровождаться перезамыканием магнитных силовых линий — процессом, известным как магнитное пересоединение. В результате формируется компактный плазменный объект с захваченным магнитным потоком, способный сохранять целостность при распространении на расстояния, многократно превышающие его поперечный размер. Запланированные эксперименты с использованием многокомпонентных магнитных зондов и спектральной диагностики позволят измерить структуру захваченного поля непосредственно в летящем сгустке и сопоставить ее с теоретическими предсказаниями.

Не менее перспективным видится систематическое сопоставление лабораторных данных с результатами наблюдений реальных астрофизических джетов. Теперь, когда механизм запуска потока в лабораторных условиях установлен и получил теоретическое обоснование, появляется возможность целенаправленно варьировать параметры разряда и проверять предсказания астрофизических моделей в контролируемой обстановке. Плазменная температура порядка нескольких электронвольт, скорости свыше 100 километров в секунду и контраст плотностей потока и окружающей среды, достижимые на установках типа плазменного фокуса, попадают в диапазон параметров, характерных для объектов Хербига—Аро.

ФизТех

656 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram