нагрев плазмы

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

В центре почти каждой крупной галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра. Она не просто пожирает падающий газ, но и выбрасывает часть его обратно мощными струями. Эти струи, словно гигантские поршни, толкают окружающий газ и нагревают его. Астрономы давно подозревали, что именно так чёрные дыры не дают галактикам остыть и превратиться в холодные звёздные фабрики.

В кастрюле на плите вода начинает бурлить снизу, задолго до того, как закипит вся. Пузырьки пара поднимаются от дна, хотя сама плита ещё не раскалилась. Примерно так ведёт себя атмосфера Солнца перед вспышкой: потоки вещества устремляются вверх из глубоких слоёв, хотя главный источник нагрева, по прежним представлениям, ещё не включился.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Термоядерный реактор — это сверхгорячая печь, где плазма раскалена до миллионов градусов. Стенки такой печи делают из вольфрама: он тугоплавкий, как никакой другой металл. Но даже вольфрам не выдерживает без защиты: быстрые частицы из плазмы бомбардируют поверхность и выбивают атомы.

В кастрюле с кипящим супом лёгкие крупинки жира всплывают наверх, а тяжёлые кусочки овощей оседают на дно. Аналогичная картина — гравитационное расслоение — наблюдается в разреженном горячем газе вокруг Солнца и других звёзд, но вместо бульона там смесь заряженных частиц: электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов).

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, истекающий с поверхности Солнца и заполняющий всю гелиосферу. Это не однородный бриз, а турбулентная среда с вихрями, порывами и зонами затишья.

В солнечной короне — внешней, крайне разреженной и горячей оболочке Солнца — время от времени наблюдается удивительное явление: корональный дождь. Только вместо воды с неба падает плазма — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

Ранняя Вселенная напоминала перегретый котёл, в котором бурлили квантовые флуктуации — случайные всплески энергии, присущие микромиру. В этом хаосе, словно пар над кипящей водой, сгустилось особое поле — скалярное. Оно стало тем «двигателем», который заставил пространство расширяться с невероятной скоростью. Этот процесс называют инфляцией.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Горячий чай остывает, а мороженое тает — тепло всегда переходит от тёплого к холодному, и этот закон казался нерушимым. Но в квантовом мире даже привычные правила можно переписать. Физики поместили крошечный механический резонатор (вибрирующую перемычку размером с микроб) в оптическую полость между двумя зеркалами.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

Солнце непрерывно выводит на своей поверхности каракули магнитных полей. Эти узоры — не просто рябь, а почерк, в который природа зашифровала предупреждения о вспышках. Вспышка — это взрыв, высвобождающий за минуты энергию миллиардов ядерных бомб, выбрасывающий в космос потоки плазмы и излучения.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

В глубоких океанах ледяных лун вода не стоит на месте. Тёплые струи поднимаются от каменистого дна, но вращение планеты закручивает их в длинные наклонные валы, вытянутые вдоль оси вращения. Раньше этот процесс не могли учесть в глобальных моделях — слишком сложно.

В горячей кружке вода иногда застывает в лёд быстрее, чем в тёплой. Этому парадоксу больше полувека, и называется он эффектом Мпембы. Обычно его связывают с движением жидкости или испарением. Теперь физики показали: похожий фокус возможен и без воды — просто через излучение тепла.

Солнце — кипящий котёл водорода и гелия, где раскалённый газ пойман в магнитные силки. Когда невидимые жгуты пересоединяются, освобождается энергия, сравнимая с миллиардами термоядерных взрывов. Куда она девается?

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

Тонкий слой масла на поверхности воды от малейшего толчка рвётся на отдельные капли. Нечто похожее происходит в пульсарном ветре — потоке частиц, который выбрасывает быстровращающаяся нейтронная звезда. В этом потоке тоже есть слои плазмы, и они могут распадаться на сгустки — магнитные острова.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

Плутоний — металл с характером. Одна его форма сжимается при охлаждении, другая — разбухает. Но при комнатной температуре сплав ведёт себя странно: линейка показывает одно, а рентгеновские лучи — другое. Линейка говорит, что образец почти не растёт, а рентген видит, как атомы в кристаллической решётке разъезжаются всё дальше. Куда исчезает лишний объём? Ответ, возможно, кроется в появлении невидимой фазы.

Сразу после Большого взрыва Вселенная пережила инфляционное расширение — сверхбыстрое экспоненциальное растяжение пространства, концепцию которого предложил Алан Гут, а развил Андрей Линде.

Гигантский котёл с кипящим супом простирается на миллионы световых лет. Это атмосфера скопления галактик Персея — облако раскалённого газа, удерживаемое гравитацией. До недавнего времени астрономы считали, что в центре этого котла газ спокойно остывает, готовясь превратиться в новые звёзды.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. В её ядре вещество спрессовано так плотно, что чайная ложка такого вещества весила бы как гора. При такой плотности, как предсказывает теория сильных взаимодействий, у частиц появляются «двойники» — партнёры по чётности.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Поверхность Солнца кипит, как вода в кастрюле. Горячий газ поднимается, остывает и опускается — это конвекция. Вокруг бурлят магнитные поля, которые рвутся и снова соединяются. В этой суете рождаются спикулы — узкие струи плазмы, которые взлетают на тысячи километров вверх.

В апреле 2023 года японские спутники зарегистрировали сверхмощную рентгеновскую вспышку на нейтронной звезде MAXI J1752–457. Примечательно, что звезда остыла за 4 дня — впятеро быстрее типичного сценария. Это похоже на внезапно распахнутую космическую форточку, через которую тепло стремительно уходит прочь.

Солнечная вспышка — это как гигантская пружина, которую скручивали, скручивали, а потом она резко распрямилась. Энергия, накопленная в магнитном поле, за минуты выбрасывается в пространство, разогревая плазму до миллионов градусов. Но что именно происходит в этот момент внутри петли раскалённого газа, до сих пор было видно лишь в плоских проекциях. Теперь астрономы собрали трёхмерную картину.

Солнечная вспышка 3 июня 2012 года вела себя как оркестр, где после основного выступления неожиданно вступает второй солист. Сначала приборы зафиксировали резкий всплеск гамма-излучения с энергией выше 100 мегаэлектронвольт — это как если бы миллиарды крошечных пуль разом ударили по детекторам.

Когда на звезде вспыхивает яркое пятно, астрономы хотят понять, сколько энергии ушло в космос. Раньше они представляли вспышку как растущий костёр: площадь огня увеличивается, а жар остаётся одним и тем же. Так было проще считать, но реальность оказалась иной.