Лазерный эксперимент воспроизвёл механизм солнечных вспышек в лаборатории

Физики из Университета Кюсю (Япония) использовали мощный лазер, чтобы воссоздать в лаборатории физический процесс, лежащий в основе солнечных вспышек и магнитных бурь: магнитное пересоединение. Эксперименты показали, что скорость пересоединения определяется локальной физикой в зоне соединения магнитных полей, а не свойствами окружающей плазмы. Результаты опубликованы в Physical Review E.

Магнитное пересоединение — один из ключевых процессов астрофизики и физики плазмы. Оно происходит, когда два потока намагниченной плазмы сталкиваются: их магнитные поля, направленные в противоположные стороны, перестраиваются и «сшиваются» заново. При этом огромное количество запасённой магнитной энергии высвобождается почти мгновенно — именно так происходят солнечные вспышки, выбросы корональной массы и суббури в магнитосфере Земли.

Зачем моделировать это лазером

Наблюдать магнитное пересоединение на Солнце и в магнитосфере — сложно: данные поступают с большими неопределённостями, масштабы огромны, управлять условиями невозможно. Лабораторный эксперимент позволяет делать то, чего не может обычная астрофизика: менять параметры, воспроизводить эксперимент снова и снова и напрямую измерять то, что происходит в зоне пересоединения.

Группа Университета Кюсю использовала мощный лазер: два лазерных пятна фокусировались на мишени, создавая два быстро расширяющихся облака горячей плазмы. При столкновении этих облаков их магнитные поля, возникающие за счёт термоэлектрического эффекта Бирманна, пересоединялись друг с другом.

Меняя расстояние между двумя лазерными пятнами, исследователи существенно изменяли плотность плазмы и напряжённость магнитного поля в зоне столкновения — то есть управляли условиями эксперимента в широком диапазоне.

Ключевой вывод: скорость не зависит от окружения

Центральный результат исследования — о так называемой «скорости» пересоединения. В физике плазмы долго велась дискуссия: определяется ли скорость пересоединения свойствами широкого окружения (глобальными условиями вдали от зоны пересоединения) или только тем, что происходит непосредственно в тонком слое, где поля меняют направление.

Эксперименты Университета Кюсю подтверждают этот вывод в исследованных условиях: при изменении условий окружающей плазмы в широком диапазоне скорость пересоединения оставалась стабильной. Это говорит о том, что быстрое магнитное пересоединение управляется локальной физикой внутри самого тонкого слоя, а не условиями за его пределами.

Результат даёт ориентир для проверки моделей пересоединения. Однако он не означает, что все характеристики солнечной вспышки определяются только одной локальной зоной.

Связь с будущими исследованиями

Лабораторное моделирование астрофизических явлений с помощью мощных лазеров — активно развивающееся направление. Лазеры позволяют не только воспроизвести физику, недоступную для прямого изучения, но и проверить теоретические предсказания в контролируемых условиях. Данное исследование отрабатывает важный фрагмент мозаики: если скорость пересоединения поистине определяется локальными условиями, это упрощает создание предсказательных моделей для оценки мощности солнечных бурь до того, как они достигнут Земли.

Читайте также: Solar Orbiter обнаружил сортировку ионов на границе солнечного ветра.

Дальнейшие эксперименты помогут проверить выводы для наклонных магнитных полей и несимметричных потоков плазмы.