Магнитный насос: как сжатие плазмы разгоняет частицы ✦
Представьте коробку, стенки которой быстро сжимаются и разжимаются: любой мячик внутри будет отскакивать всё сильнее. Примерно так работает новый физический «пульсирующий ящик» с плазмой: магнитное поле, пульсируя, разгоняет заряженные частицы до огромных энергий, словно невидимый насос. Учёные не только смоделировали этот процесс, но и нашли простое правило, связывающее энергию встряски с силой разгона. Может быть, именно такие «магнитные качели» питают самые мощные ускорители во Вселенной?
В разреженном космическом газе — плазме — порой обнаруживают одинокие частицы, несущиеся почти со скоростью света. Обычные ускорители — ударные волны или перестройка магнитных полей — не могут объяснить их энергию. Недавнее компьютерное моделирование указало на неожиданного кандидата: магнитный насос. Если плазму многократно сжимать и расширять, энергия этих пульсаций не рассеивается, а впрыскивается в отдельные частицы. Подобно велосипедному насосу, который нагревает воздух при каждом качке, космическая «накачка» добавляет скорость с каждым циклом.
Авторы воссоздали на суперкомпьютере пульсации, подобные тем, что бушуют у чёрных дыр и нейтронных звёзд. Оказалось, всего за пять сжатий некоторые частицы разгонялись до почти световой скорости. Распределение их энергий приняло характерную форму с длинным «хвостом» — таких спринтеров немного, но они есть. Секрет эффективности кроется в беспорядке: плазма кипит мелкими неустойчивостями, которые перекачивают энергию от крупных вихрей к самым быстрым частицам. Природа просто следует пути к наибольшему беспорядку, что первым осознал Людвиг Больцман.
Такой «насос» помогает понять загадочное свечение газа вокруг взрывов звёзд, в короне Солнца, в дисках возле чёрных дыр и даже в пустотах между галактиками. Астрономы готовятся проверить модель, всматриваясь в излучение этих объектов с помощью спектроскопии.
🎯 Идею «магнитной накачки» предложили ещё в 1958 году для нагрева плазмы в термоядерных реакторах, а сегодня она объясняет самые энергичные частицы во Вселенной.