Ученые создали самое мощное на Земле магнитное поле

Ученые из МИФИ вместе с коллегами из Японии и Франции в лабораторных условиях получили плазму, идентичную плазме из окрестностей черной дыры. А заодно создали самое мощное на Земле магнитное поле. В перспективе такие исследования помогут в создании сверхмощных источников излучения для решения прикладных задач физики, медицины и промышленности.

Увидеть невидимое

Представьте черную дыру: воображение рисует расплывчатое темное пятно со свечением вокруг. Вероятно, картинка навеяна научно-популярными фильмами и богатой (или, наоборот, недостаточно богатой) фантазией писателей-фантастов. Но черные дыры невозможно увидеть: гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть черную дыру не может даже свет. Согласно современным представлениям, черная дыра — сложный объект со множеством вращающихся вокруг него дисков из газа и плазмы, фотонными кольцами. Возможно, вы помните, что в апреле 2019 года интернет облетело фото черной дыры, сделанное телескопом Event Horizon. Это было важное событие в мировой астрофизике. Но на том снимке мы видим аккреционный диск из вещества, затягиваемого в черную дыру, — оно вращается и опоясывает область икс. Аккреционный диск может простираться на триллионы километров. Например, диск сверхмассивной черной дыры M87* растягивается на 0,4 светового года. Из диска почти со скоростью света могут вырываться струи плазмы — джеты. Кстати, тот факт, что джеты образуются именно в аккреционном диске, доказала в 2018 году группа ученых, в числе которых были специалисты из МГУ, ФИАНа и МФТИ.

Еще один успех российских ученых в изучении черных дыр — в августе 2019 года телескоп ART-XC орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» зафиксировал вспышку сверхмассивной черной дыры Стрелец А*. До этого ближайшая к Земле черная дыра более 20 лет не проявляла активности. Недавно американские астрономы при помощи комплекса радиотелескопов ALMA получили изображение аккреционного диска Стрельца А* — они-то и доказали, что диск вращается.

Эксперименты на улитке

Аккреционные диски — источники сильного рентгеновского излучения, которое образуется из-за магнитного поля с индукцией несколько тысяч тесла. Это очень много. Для сравнения: индукция магнитного поля в ИТЭРе — 13 Тл, а в медицинском томографе — 1–3 Тл. Изучение лазерной плазмы с такими параметрами, как в аккреционных дисках, будет полезно как для фундаментальной науки, так и для прикладных областей. Например, можно будет усовершенствовать технику для создания направленных пучков частиц, использующуюся в лечении рака или стерилизации медицинских изделий.

Группа ученых из МИФИ, Университета Осаки и Университета Бордо воссоздали в лаборатории небольшой объем плазмы с характеристиками, идентичными характеристикам плазмы аккреционного диска черной дыры. «В астрофизике часто приходится масштабировать — переносить результаты, полученные в лаборатории, на реальные космические объекты. Такие допущения могут обернуться ошибками, неточностями. Уникальность нашего эксперимента в том, что параметры плазмы масштабировать не нужно. Да, мы получили очень маленькое количество вещества, десятки микронов. Но его характеристики соответствуют характеристикам плазмы в окрестности черной дыры тесных двойных систем типа Лебедь Х-1», — отметил один из участников исследования, доцент Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Филипп Корнеев.

Метод основан на многократном отражении мощного лазерного луча внутри мишени — тонкой, диаметром несколько сот микронов, медной фольги, скрученной в улитку. Медь часто используют в лазерных экспериментах из-за ее способности производить рентгеновское излучение определенной частоты в результате обстрела быстрыми электронами, присутствующими в лазерной плазме.

В эксперименте использовали два лазерных импульса. Первый, с энергией около 330 Дж и длительностью 1 пикосекунду, отправился внутрь мишени. На несколько десятков пикосекунд там образовалась плазма, а благодаря геометрии облучения и закрученной форме мишени магнитные поля были направлены навстречу друг другу так, что в области их соприкосновения происходила аннигиляция (взаимное уничтожение), приводящая к возникновению потоков частиц со скоростями, близкими к скорости света. Второй лазерный импульс был сфокусирован на расположенной рядом алюминиевой фольге и выбивал из нее пучки протонов, которые, отклоняясь в магнитном поле медной улитки, попадали на детектор. Так, методом протонной дефлектометрии, ученые измеряли характеристики магнитного поля.

Самое мощное поле

Эксперимент проводили в Японии, в Институте лазерной инженерии Университета Осаки. «В мире немного установок такой мощности и энергии — наверное, можно насчитать штук десять. Одна из них, LFEX, как раз в Осаке. Университет выделяет три месяца в году, когда пользоваться лазером могут любые исследовательские группы, на конкурсной основе. В нашем проекте мы планировали получить самое сильное магнитное поле, которое до сих пор удавалось создать в лабораториях», — отмечает Филипп Корнеев.

И получилось! В результате эксперимента зафиксировали магнитное поле более 2 тыс. Тл. Предыдущий рекорд тоже поставили в Японии, в 2018 году. Ученые из Института физики твердого тела Токийского университета получили магнитное поле с индукцией 1,2 тыс. Тл. Правда, авторы эксперимента разгромили лабораторию: после достижения пиковой мощности силовые линии магнитных полей замкнулись, оборудование взорвалось, с петель сорвало стальную дверь. Хорошо, что в этот раз все обошлось.