Как рождается скорость в космосе? Земной эксперимент объяснил ускорение частиц во Вселенной

Вселенная полна энергии. Постоянно сквозь космос несутся частицы, разогнанные до невероятных скоростей, близких к скорости света. Эти «космические лучи» — настоящие посланники из самых бурных уголков Вселенной, рожденные во взрывах сверхновых или в окрестностях черных дыр. Но вот загадка, которая десятилетиями не давала покоя астрофизикам: как именно эти частицы получают свой первоначальный, самый первый толчок? Как начинается их головокружительная гонка?

Представьте себе гигантскую волну, мчащуюся сквозь космос — это и есть ударная волна. Только состоит она не из воды, а из плазмы — раскаленного ионизированного газа. Когда частица встречает такую волну, она может, словно серфер, «оседлать» её или, как мячик, отскочить от неё, получив при этом порцию энергии. Этот процесс, известный как ускорение Ферми, может повторяться многократно, каждый раз добавляя частице скорости. Но чтобы этот «космический пинг-понг» начался, частица должна уже иметь некоторую начальную энергию. Откуда она берется?

Гонка на космической трассе: два претендента

На роль «стартового пистолета» для космических частиц претендовали две основные теории. Первая — дрейфовое ускорение на ударной волне (SDA). Если упростить, частица, попадая в область ударной волны с её мощными электрическими и магнитными полями, как бы «дрейфует» вдоль фронта волны, набирая скорость за счет её движения. Вторая — ускорение серфингом на ударной волне (SSA). Здесь частица захватывается электрическим полем самой волны и несется вместе с ней, подобно серферу на гребне.

Обе теории выглядели правдоподобно, но проверить их напрямую в космосе — задача почти невыполнимая. Мы можем наблюдать последствия этих процессов за миллионы световых лет от нас, но заглянуть «под капот» космического ускорителя и увидеть сам момент старта — увы, пока не получается. Предыдущие лабораторные попытки воссоздать эти условия тоже не давали однозначного ответа. До недавнего времени.

Лаборатория вместо космоса: китайский прорыв

И вот тут-то на сцену выходят физики из Научно-технического университета Китая (USTC). Они решили не ждать милостей от природы (и далеких галактик), а воссоздать кусочек космоса прямо здесь, на Земле. Звучит как научная фантастика? Почти. На мощнейшей лазерной установке Shenguang-II они провели поистине ювелирный эксперимент.

Представьте: с помощью сверхмощных лазеров ученые сначала создали облако «окружающей» замагниченной плазмы — своего рода космический фон. Затем другим лазерным импульсом они сгенерировали сверхзвуковой «поршень» из другой плазмы, который на огромной скорости (более 400 километров в секунду!) врезался в первое облако. Что получилось в итоге? Самая настоящая бесстолкновительная ударная волна, очень похожая на те, что существуют в космосе, например, перед нашей Землей (так называемая головная ударная волна, возникающая при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой планеты).

Момент истины: увидеть невидимое

Но создать волну — это полдела. Нужно было увидеть, что происходит с частицами (в данном случае, ионами — атомами, потерявшими электроны). И здесь китайским исследователям помогли самые современные методы диагностики. Используя оптическую интерферометрию (метод, позволяющий «увидеть» плотность плазмы) и детекторы времени пролета ионов (измеряющие их скорость), они смогли заглянуть в самое сердце процесса.

И что же они увидели? Нечто поразительное: четкий, направленный пучок ионов, летящий от ударной волны со скоростью в 2-4 раза выше скорости самой волны (1100-1800 км/с)! Эти ионы явно получили мощный пинок. Но какой именно?

Ключ к разгадке дали компьютерные симуляции, которые позволили отследить путь каждой отдельной частички и понять, какие силы на нее действовали. Оказалось, что ионы не «серфили» на волне. Вместо этого они отражались от её фронта, взаимодействуя одновременно и с электрическим полем волны, и со сжатым магнитным полем. Именно это отражение и разгон за счет движения самой волны (ее «конвекционного» электрического поля) — классический признак механизма SDA! По сути, ионы «оттолкнулись» от движущейся магнитной и электрической «стены», получив мощный импульс. Эксперимент с беспрецедентной ясностью показал: именно дрейфовое ускорение (SDA) играет ключевую роль на старте. Теория SSA, по крайней мере для таких условий, оказалась не у дел. Спор длиной в десятилетия, похоже, разрешен.

Зачем всё это? От звёздных взрывов до термояда

«Ну хорошо,» — скажете вы, — «ученые в лаборатории погоняли ионы. Что нам с того?» А дело в том, что это открытие имеет огромное значение!

1. Понимание Космоса: Теперь мы гораздо лучше понимаем, как рождаются космические лучи и как разгоняются частицы в остатках взорвавшихся звезд. Модели этих явлений станут точнее.
2. Новый Инструмент: У физиков появилась уникальная лабораторная установка, где можно в контролируемых условиях изучать процессы, идущие в экстремальных условиях космоса. Её можно «настраивать», меняя параметры магнитного поля или плазмы, и смотреть, что получится.
3. Практические Приложения? Да, и они тоже возможны! Понимание механизмов ускорения ионов может помочь в разработке более эффективных ускорителей частиц для медицинских или исследовательских целей. А знание того, как ведут себя ударные волны в плазме, потенциально полезно даже для управляемого термоядерного синтеза — энергии будущего, где нестабильности плазмы являются одной из главных проблем.

Шаг к пониманию Вселенной

Это исследование — блестящий пример того, как остроумный лабораторный эксперимент может пролить свет на фундаментальные тайны Вселенной. Он не только ответил на старый вопрос, но и открыл новые пути для изучения самых мощных природных ускорителей. Кто знает, возможно, следующие шаги на этом пути помогут нам понять, как частицы после этого первого толчка разгоняются до тех запредельных энергий, которые мы наблюдаем, принося нам вести из самых дальних и бурных уголков нашего мира. Мы стали чуть ближе к пониманию того, как работает эта невероятная космическая машина.