Плазма — это состояние вещества, которое возникает, когда газ нагревается до достаточно высоких температур, в результате чего некоторые электроны отделяются от атомов. Это состояние вещества стало предметом многих астрофизических исследований, поскольку прогнозы предполагают, что оно будет обнаружено вблизи различных космологических объектов, включая пульсары и чёрные дыры.
Предыдущие исследования показали, что окружающая среда вокруг этих небесных объектов является турбулентной, что означает, что магнитные и электрические поля в ней хаотически колеблются в различных масштабах. Эти хаотические колебания, в свою очередь, влияют на движение и ускорение частиц.
Исследователи пытались воспроизвести турбулентную среду, связанную с возникновением плазмы в космосе, с помощью численного моделирования. Однако до сих пор им не удавалось реализовать стационарное состояние, в котором свойства системы больше не изменяются с течением времени, как это можно наблюдать в реальных космических системах.
Исследователи из Лёвенского католического университета и Королевского бельгийского института космической астрономии сообщают о первом наблюдении истинного стационарного состояния в моделируемой турбулентной плазме. Это замечательное наблюдение, описанное в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, стало результатом трёхмерного моделирования методом «частица в ячейке» — вычислительных симуляций, которые могут реалистично воспроизводить как частицы, так и электромагнитные поля.
«Считается, что большая часть плазмы в космосе является турбулентной», — сказал Евгений Горбунов, первый автор статьи, в интервью Phys.org. «Такая турбулентность нагревает плазму и ускоряет отдельные частицы до очень высоких энергий: другими словами, она действует как универсальный космический ускоритель частиц. Понимание этого процесса имеет решающее значение для объяснения многочисленных астрофизических наблюдений, таких как излучение аккреционных дисков, спектры космических лучей и другие».
До сих пор изучение турбулентности в основном основывалось на численном моделировании — компьютерных методах, которые используют математические модели для воспроизведения физических процессов или систем. Однако при проведении этих симуляций турбулентность обычно необходимо «перемешивать» с помощью постоянной подачи энергии.
«В замкнутой моделируемой области, где рассеяние энергии не может быть смоделировано последовательно, этот подход имеет серьёзные недостатки», — сказал Горбунов. «Истинное стационарное состояние, в котором рассеяние уравновешивает подачу энергии, никогда не наблюдалось. Поданная энергия обычно приводит к постоянному ускорению частиц, что приводит к бесконечному нагреву плазмы. В этой работе мы впервые достигаем истинного стационарного состояния в турбулентных симуляциях, позволяя таким энергетическим частицам покидать область моделирования».
В рамках своего исследования Горбунов и его коллеги провели трёхмерное моделирование методом «частица в ячейке», которое должно было воспроизвести ускорение частиц в турбулентности. Этот метод моделирования позволяет частицам свободно перемещаться внутри «ячейки» моделирования, взаимодействуя через электромагнитные поля, которые вычисляются в фиксированных точках на регулярной сетке.
«В симуляциях турбулентности обычно используются периодические границы; например, если что-то пересекает верхнюю часть ячейки, оно появляется внизу», — пояснил Горбунов. «Мы ввели дополнительный элемент в эту стандартную установку. Если частица перемещается на расстояние, превышающее заданное, мы считаем, что она покинула космический ускоритель. Затем она мгновенно заменяется «свежей» частицей, её энергия сбрасывается и выбирается из тепловой популяции».
По сути, исследователи связали турбулентность в своей симуляции с резервуаром тепловых частиц. Частицы попадают в моделируемый ускоритель, набирают энергию, пока находятся внутри него, и в конечном итоге покидают его. Этот процесс отражает то, что, по прогнозам теорий, происходит в астрофизических средах.
«Мы наблюдали, что независимо от начальной электромагнитной энергии на частицу система последовательно переходит в состояние, в котором магнитное и кинетическое давление уравновешиваются», — сказал Горбунов. «В результате ускорение частиц становится ограниченным, чего раньше не наблюдалось. Мы также измерили, как время выхода частиц зависит от их энергии, и обнаружили, что оно универсально следует очень слабому обратному степенному закону, что имеет важное значение для объяснения наблюдений космических лучей».
Это недавнее исследование и наблюдение команды за стационарным ускорением частиц в турбулентной плазме могут открыть захватывающие возможности для моделирования различных космологических объектов и физических явлений. В будущем, например, методы моделирования, которые они использовали, могут быть применены для изучения высокоэнергетических космических лучей, генерируемых в турбулентных астрофизических средах, что потенциально приведёт к новым ценным открытиям.
«Турбулентность во Вселенной возникает во многих режимах», — добавил Горбунов. «Например, если частицы излучают (как это обычно происходит в астрофизических средах), как это влияет на стационарное состояние и спектры частиц? Что произойдёт, если плазма будет содержать несколько видов частиц, таких как протоны, электроны и позитроны, как в коронах чёрных дыр? Благодаря возможности достижения истинного стационарного состояния в симуляциях многие такие вопросы теперь могут быть решены. Этот метод может изменить подход к изучению турбулентности».