плазменная волна

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Плазма — это ионизированный газ, в котором электроны оторваны от атомов и свободно движутся. Иногда в такой среде самопроизвольно возникают области, где электронов почти нет; их называют дырами. Словно в потоке воды появляется воронка, затягивающая всё вокруг. Но как именно рождается эта воронка — долго оставалось загадкой.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Плазма — это не просто горячий газ, а целый оркестр заряженных частиц, где каждая группа играет свою партию. Тяжёлые ионы (атомы, потерявшие электроны) задают медленный ритм, а лёгкие электроны носятся в десять тысяч раз быстрее.

Быстрые радиовсплески (FRB) — загадочные маяки Вселенной, за миллисекунды испускающие энергию, сопоставимую с излучением Солнца за столетия.

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.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Парадокс молодого солнечного ветра долго не давал покоя гелиофизикам. Измерения показали: вблизи светила протонные пучки не размыты, а сжаты, словно кто-то аккуратно придал им форму головки молотка.

Ещё Джоселин Белл Бернелл, впервые зарегистрировавшая строгую периодичность радиосигналов, заметила, что некоторые импульсы внезапно пропадают. Сегодня мы знаем: переменность — не каприз, а голос сложнейшей электродинамики.

Толпа людей заперта в узком коридоре между двумя рядами зеркал. Время от времени кто-то с силой толкает стену, и по коридору прокатывается гул — так и в плазме галактических скоплений появляются волны-свисты и ионно-циклотронные волны. Их создают заряженные частицы, оказавшиеся в ловушке магнитных ям (областей с ослабленным полем, где частицы отражаются, как от зеркал).

Хлопок в ладоши сжимает воздух, и он разлетается в стороны — простейший удар. В космосе роль ладоней играют взрывающиеся звёзды: их ударные волны резко сжимают газ и запускают хаотическое перемешивание — турбулентность. Но как именно энергия взрыва переходит в вихри разных размеров, долго оставалось загадкой, ведь разглядеть детали в далёких туманностях очень трудно.

Капля густого шампуня падает в воду и застывает причудливым жгутом. Жидкость, которая одновременно течёт и пружинит, называют вязкоупругой. В ней крошечные частицы под действием ультразвука ведут себя совсем не так, как в воде. Вязкоупругость — свойство материала одновременно растекаться как мёд и возвращать форму как резина.

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.

Крона огромного дерева шевелится на ветру, но корни и ствол скрыты под землёй. На Солнце роль таких невидимых корней играют магнитные поля. Они выходят из глубин, пронизывают всю атмосферу и управляют движением раскалённого газа — плазмы. Увидеть эту связь напрямую очень трудно, особенно в верхних слоях, где магнитные силы должны доминировать над газовыми.

Солнечный ветер — не ровный поток, а скорее порывистый. Внутри него протоны и ядра гелия летят не с одной скоростью, а с разбросом, как капли в струе из шланга. Обычно этот разброс описывают простой колоколообразной кривой.

Вода в чайнике закипает — и по кухне расходятся волны пара. В космосе похожий процесс идёт в плазме — газе, разогретом так сильно, что электроны отрываются от атомов. Вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд эта плазма не просто горячая: частицы в ней носятся почти со скоростью света.

Когда массивная звезда умирает, её ядро сжимается в нейтронную звезду, а внешние слои разлетаются взрывом. В этот момент рождается невообразимо плотное облако нейтрино — частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом, но зато активно «переговариваются» друг с другом.

Нейтронная звезда — это город размером с мегаполис, сжатый до размеров небольшого астероида. Вокруг неё кипит плазма — газ из заряженных частиц, сквозь который бегут волны, как рябь по поверхности пруда. Волны бывают трёх сортов: альфвеновские (A), обыкновенные (O) и необыкновенные (X).

Нейтронная звезда размером с город крутится быстрее кухонного блендера и швыряет вокруг себя частицы. Вокруг неё возникает светящееся облако — его называют пульсарным гало. Форма этого облака зависит от невидимых магнитных полей, которые, как течения в океане, направляют частицы.

Большой взрыв был подобен космическому раскату грома, заставившему ткань пространства-времени вибрировать. Эти вибрации — гравитационные волны — до сих пор расходятся по Вселенной, словно эхо от давнего события.

Стайка светлячков в ночном лесу вспыхивает как попало: каждый жучок мигает сам по себе, и свет разлетается во все стороны одинаково. А теперь светлячки договорились мигать так, чтобы их общий свет уходил только на север — хотя сами они стоят на месте и ни один не повернулся. Примерно это сделали физики с атомами внутри тонкой стеклянной трубки. Атомы в трубке возбуждали лазером, и они начинали испускать свет.

Перед ударной волной, которую Земля создаёт в солнечном ветре, иногда появляются гигантские пузыри разреженного газа. Внутри них плотность частиц падает в разы, а электрические поля начинают дрожать, как струна после щипка. Четыре спутника миссии MMS, летящие строем, измерили эти колебания с невиданной ранее точностью.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

Плазма — это газ, разогретый так сильно, что электроны отрываются от атомов. В ней бегут волны, похожие на звук в воздухе, но управляет ими магнитное поле. Если магнитное поле становится неоднородным, а периодическим — как забор с чередующимися досками, — волны ведут себя иначе. Некоторые частоты просто исчезают: волна не может распространяться, отражается назад.

В потоке заряженных частиц, который непрерывно дует от Солнца, иногда возникают радиовсплески — короткие мощные сигналы на частоте, которую можно услышать в обычном радиоприёмнике. До сих пор было неясно, как именно в этом потоке рождаются такие сигналы. Теперь приборы на космическом аппарате Solar Orbiter впервые увидели весь процесс своими глазами.

Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц, в основном ядер водорода — это солнечный ветер. Иногда Солнце выбрасывает плотные сгустки намагниченного газа — корональные выбросы массы, — внутри которых, как правило, царит магнитный штиль. Однако в 2000 году в одном таком облаке учёные заметили два участка, где газ бурлил.

Раскалённый газ, который течёт от Солнца, — это не сплошной поток, а скорее суп из заряженных частиц. В этом супе то и дело закипают волны: электрические поля вспыхивают и гаснут, как рябь на воде от брошенного камня. Одна из таких волн — ионно-ионная акустическая. Она возникает, когда два сорта ионов (атомов, потерявших электроны) движутся с разной скоростью.

Экзопланета — планета за пределами Солнечной системы — движется по слегка вытянутой орбите. При каждом обороте она то приближается к родительской звезде, то удаляется.

В раскалённой плазме — газе из заряженных частиц — хаотичные электрические поля работают как своеобразное сито. Медленная частица окружает себя облаком частиц противоположного заряда — поляризационной «шубой», которая экранирует внешнее поле и не даёт ему воздействовать на частицу.

Солнечный ветер — не спокойный ручей, а бурлящая плазма из заряженных частиц. Зонд Parker Solar Probe, нырнув к самому Солнцу, зарегистрировал два типа волн-размешивателей. Левозакрученные волны, подобно венчику в руке повара, взбивают вещество, когда температура вдоль и поперёк движения различается.

Физики задействовали квантовый симулятор — платформу, которая воспроизводит динамику заряженных частиц, — чтобы проследить их столкновения в режиме колоссальных энергий. Согласно Стандартной модели, фундаментальной теории микромира, система обязана была стремительно скатиться к хаосу, где энтропия, мера беспорядка, достигает максимума.