уравнение Власова

Волновой пакет похож на путешественника, который то теряет силы и расплывается по дороге, то держит строй, то собирается в кулак. В 50-метровом лотке с водой глубиной 5 метров учёные проследили, как ведёт себя колоколообразная группа волн, когда у неё меняют высоту, но не ширину. Гауссов пакет — это волна с плавным подъёмом и спадом, как холм на воде.

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.

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).

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Чёрная дыра — не пылесос. Сама по себе она не притягивает всё подряд сильнее, чем обычная звезда той же массы. Но если рядом с ней есть магнитное поле, а вокруг летают заряженные частицы, начинается интересная игра. Можно вообразить карусель с магнитами: вы сидите на лошадке, а пол под вами усеян железными шариками.

Вселенная пронзительно звенела в первые мгновения. В эпоху инфляции, когда пространство расширялось быстрее света, энергии были чудовищны — в триллионы раз выше, чем в Большом адронном коллайдере.

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.

13,8 миллиардов лет назад Вселенная кружилась в вальсе. Поворот направо был запрещён. Сегодня отголоски того космического бала доходят до нас в виде едва уловимой ряби пространства-времени — гравитационных волн. Их существование предсказал Эйнштейн.

В глубинах Вселенной, когда массивная звезда коллапсирует в чёрную дыру или рождается магнетар, вспыхивает гамма-всплеск — на миг он затмевает все звёзды наблюдаемой Вселенной. Но как умирающая звезда превращает гравитационный коллапс в ослепительный танец гамма-квантов?

Протонный сгусток влетает в облако плазмы — и за ним остаётся невидимый след: электрическая волна. Эта волна может подхватить другие частицы и разогнать их до огромных энергий. Но управлять ею трудно: слишком много деталей в поведении плазмы. Карл Шварцшильд когда-то искал простые решения сложных уравнений — здесь нужен похожий подход.

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.

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

В центре крошечной галактики — плотный сгусток из звёзд и тёмной материи. Этот сгусток, называемый солитоном, не застыл на месте: он дрожит и колеблется, словно желе на тарелке. Колебания создают рябь в окружающем облаке тёмной материи, и эта рябь, как лёгкие толчки, миллиарды лет подталкивает звёзды всё дальше от центра.

Свет от далёкого блазара (активного ядра галактики, бьющего струёй в нашу сторону) идёт к нам миллиарды лет. В пути он порождает ливни заряженных частиц, которые межгалактическое магнитное поле отклоняет в стороны. Так вокруг блазара на небе возникает размытое гамма-свечение — вторичный ореол. Чем слабее поле, тем шире ореол.

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

Ранняя Вселенная раздувалась с невообразимой скоростью — быстрее, чем свет успевал бы её пересечь. В этом кипящем котле любая область пространства была похожа на открытую банку с краской: её границы непрерывно захватывали новый «пар» извне, а часть собственного содержимого безвозвратно ускользала.

В плотном ядре звёздного скопления три чёрные дыры сходятся в опасном танце. Движение хаотично — траектории путаются, словно клубки ниток. Затем одна из дыр вылетает прочь, а две другие остаются на вытянутой орбите. Такая пара продолжает сближаться и в конце концов сливается, порождая всплеск гравитационных волн.

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.

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?

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.

За несколько минут до того, как массивная звезда превратится в сверхновую, в её недрах разворачивается скрытая драма. Гигантский котёл кипит: вещество бурлит, вращается, а невидимые магнитные нити рвутся и срастаются вновь. Этот момент, ускользавший от прямых наблюдений, впервые удалось воссоздать в трёхмерных компьютерных моделях.

В кастрюле с кипящим супом время от времени вспыхивают крошечные капли жира — в сотню раз горячее бульона. Примерно так устроена будущая термоядерная плазма: основная масса ионов греется до сотен миллионов градусов, а небольшая примесь «быстрых» частиц (рождённых при слиянии ядер) разогнана ещё сильнее.

Магнитное поле в плазме подобно натянутой мыльной плёнке: внутреннее давление стремится её расширить, а поверхностное натяжение — стянуть, придавая устойчивую форму. В плазме эту роль исполняют магнитные силы: магнитное давление и магнитное натяжение уравновешивают друг друга, создавая хрупкое равновесие.

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.

Пыльная буря, которая не утихает миллионы лет, бушует не в пустыне, а между звёзд. Там плавают облака разреженного газа, пронизанные магнитными полями. Эти поля выстраивают пылинки, как стрелки компаса, вдоль силовых линий. Когда такая пыль излучает, свет от неё становится поляризованным — он колеблется в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхнули только вверх-вниз.

Ладонь над горячей плитой чувствует жар, даже когда воздух вокруг кажется прохладным. Нечто похожее происходит с электронами в эффекте Ааронова — Бома: частица ощущает электрическое напряжение, хотя влетает в область, где поле уже выключено.

Ночь, огромное озеро, полная тишина. Волн не видно, но слышно, как они с равным шумом накатывают на берег со всех сторон. Это похоже на то, что астрономы называют гравитационно-волновым фоном — несмолкающий гул от слияния далёких чёрных дыр. Но что, если в какой-то стороне озера плеск чуть громче?

Когда массивная звезда взрывается сверхновой, её внешние слои разлетаются в пространство со скоростью тысячи километров в секунду. Возникает ударная волна — гигантский невидимый вал, который сгребает межзвёздный газ и пыль, как бульдозер.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются ровные круги. Но дно пруда усеяно стёклышками-невидимками: каждое чуть задерживает волну, где-то рассеивает, где-то меняет её шаг. Примерно так гравитационные волны — дрожь самого пространства — проходят сквозь далёкие галактики и тёмные сгустки материи. Эти сгустки работают как линзы, только не световые, а гравитационные.

Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов, и он ведёт себя как суп из заряженных частиц. Чтобы предсказать, как такой суп течёт и нагревается, нужно знать, как частицы сталкиваются и обмениваются энергией.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

В протопланетном диске — облаке газа и пыли вокруг молодой звезды — пылинки не просто летают по кругу. Они увлекаются газовым потоком, как песок ветром, и сами меняют этот поток. Возникают слои, скользящие друг относительно друга, и на их границе рождается неустойчивость — волны и вихри.

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.

Спокойная река вдруг начинает бурлить на ровном месте — так выглядит загадка, которую разбирали авторы новой работы. Они взяли тонкий слой заряженного газа с очень слабым магнитным полем и проследили на компьютере, что с ним будет. Сначала всё течёт ровно, как вода из крана. Потом в одном месте слой истончается, и магнитные линии, которые раньше лежали параллельно, начинают рваться и пересоединяться.

Плазма — это не просто горячий газ, а смесь заряженных частиц, которые постоянно движутся и создают магнитные поля. Когда плазма бурлит, эти поля переплетаются, как спагетти в кипящей кастрюле. Учёные смоделировали на компьютере, что происходит, когда бурление успокаивается и турбулентность затухает.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.