Цивилизация
— Сергей Алексеевич, в недавней работе вместе с российскими и зарубежными коллегами вам удалось в лаборатории смоделировать вспышку сверхновой. В чем важность таких экспериментов для ученых?
— Строго говоря, эксперимент посвящен не моделированию самой вспышки сверхновой, а прохождению ударной волны от такой вспышки через плазменное облако. Сам по себе эксперимент и работа относятся к направлению лабораторной астрофизики. Это такое любопытное сочетание двух далеких крайностей – огромных по времени и пространству астрофизических явлений и их исследованиям в лазерной плазме, поджигаемой в миниатюрных микромишенях. Большинство астрофизических объектов – плазменные. Солнце, пылевые облака — практически любой космический объект можно считать плазмой, кроме астероидов, поверхностных слоев каменных планет.
А гидродинамика плазменного объекта, физика таких процессов, оказывается хорошо масштабируемой при сохранении некоторого набора инвариантов. Если отношение двух или большего числа гидродинамических величин, например, числа Маха, числа Струхаля или числа Рейнольдса при переходе от большого астрофизического объекта к малому, лабораторному, сохраняется, то оказывается, что ход протекания гидродинамических процессов подобен.
И если мы возьмем такой лабораторный объект, как лазерная плазма, создаваемая в веществе за счет воздействия мощного наносекундного лазерного импульса, то такая плазма оказывается очень хорошим масштабным объектом для большого набора астрофизических объектов:
молодых звезд, двойных звездных систем, плазменных джетов, даже взрывов сверхновых.
Сергей Пикуз
Из личного архива— На какие вопросы астрофизики можно получить таким образом ответ?
— Основная сложность в наблюдательной астрономии — вы смотрите на объект и видите его мгновенный кадр. И по этому кадру мы не можем проследить, что было в прошлом, что будет в будущем — можем только предположить. В лабораторных, более или менее контролируемых условиях мы можем проследить всю эту эволюцию от начала до конца, и тем самым проверить существующую или подсказать новую теоретическую модель астрофизического явления.
Например, для объяснения эволюции галактик и звездных скоплений важным параметром является вероятность и скорость зажигания звезд из протозвездных туманностей. Для образования звезды необходима флуктуация плотности в разреженной среде - зародыш, который станет центром гравитационного притяжения. Если в процессе притяжения наберется критическая масса для поджига термоядерной реакции, то тогда и зажжется новая звезда.
Так, Солнце является звездой третьего поколения, зародившейся из вещества, уже когда-то бывшего в составе звезд предыдущих поколений.
Одним из важных механизмов возникновения звездных зародышей может выступать прохождение через среду ударной волны от взрыва сверхновой. Роль такого механизма может быть проверена в лабораторном эксперименте в плазме, создаваемой мощными наносекундными лазерными импульсами.
— Что представляет собой экспериментальная установка?
— Этот эксперимент проводился в рамках международного сотрудничества в партнерстве с Высшей политехнической школой на лазерной установке LULI2000 во Франции. В вакуумной камере мы располагаем несколько твердотельных мишеней, на которых фокусируются мощные лазерные пучки.
Один или два лазерных импульса наносекундной длительности с энергией в 500 Дж облучали углеродные стержни и формировали поток плазмы, разогретой до нескольких миллионов градусов. Область распространения плазмы заполнялась гелием, причем концентрация молекул газа подбиралась исходя из задачи масштабирования на плотность вещества в межзвездной среде. Поскольку плазменные потоки разлетались со сверхзвуковой скоростью, то они формировали в газе сжатую область – ударную волну.
В свою очередь, на пути ударных волн устанавливался шарик из вспененного пластика, моделирующий флуктуацию плотности в межзвездной среде.
Еще один лазер фокусируется на титановой проволоке, за счет этого воздействия формируется яркий рентгеновский источник короткой, пикосекундной, длительности. Рентген нужен нам для того, чтобы просветить весь объем взаимодействия плазменной волны и препятствия-шарика, получить теневую радиографическую картину того, что там произошло. Короткая пикосекундная длительность рентгеновской вспышки позволяет нам получить покадровые изображения в разные моменты времени и в итоге получить красивое и информативное «кино» о том, как формируется ударная волна, как она взаимодействует с препятствием, и как эволюционирует «зародыш» от такого воздействия.
Что происходит с шариком, когда в него попадает плазма, он испаряется?
— Воздействие на шарик ударной волны должно приводить к его сжатию, искажению симметрии, а также развитию турбулентностей в плазменном потоке. Процессы, за которыми мы наблюдаем, проходят на временах сотни наносекунд, за это время шарик напротив сжимается, его плотность растет. И только позже, когда энергия ударной волны преобразуется в тепло, шарик начинает разлетаться. В конечном итоге шарик испаряется, но не на тех временах, которые мы рассматриваем.
— К каким выводам вы пришли?
— Мы показали, в какой степени прохождение плазменной ударной волны (моделирующей ударную волну от сверхновой) может сжимать относительно низкоплотную среду, и тем самым повышать вероятность возникновения из такого сгустка звездного зародыша. В эксперименте мы смогли получить наглядные радиографические изображения среды на различных стадиях ее сжатия.
Нам удалось показать, что усиление воздействия за счет наложения двух ударных волн увеличивает степень сжатия вещества на 30%.
Дальнейшая интерпретация полученных данных позволит сделать выводы о корректности моделей, описывающих скорость звездообразования в различных звездных скоплениях в окрестности остатков сверхновых.
— Вы успели провести эксперимент до событий на Украине. Как они скажутся на дальнейшем сотрудничестве с европейцами?
— Эксперимент был проведен в начале 2021 года. Мы сотрудничаем не только по этой статье — вся наша наука построена на международном сотрудничестве и не только с Европой. Конечно, сейчас для нашей деятельности наступили крайне непростые времена. Все, что касается возможности наших дальнейших работ на зарубежных установках, даже подготовки совместных публикаций, находится под большим вопросом. Со стороны научного и политического руководства зарубежных партнеров, есть жесткое противодействие, требование заморозить сотрудничество, а иногда и разорвать отношения.
Сейчас все довольно сильно зависит от страны, конкретной организации или института. Особенно жестко и резко отреагировали европейские организации, на других континентах решения принимаются более рационально. При этом я ожидаю, что в ближайшее время все гомогенизируется, и в международном научном сообществе будут выработаны общие решения, причем скорее негативные для нас.
— Вам закрыли доступ на европейские установки?
— На конкретную установку LULI2000 в Ecole Polytechnique, использованную в обсуждаемой статье, доступ теперь действительно нам закрыт. Причем, по-видимому, запрет распространяется не только на сотрудников российских институтов, но и вообще на граждан России. Решение долгосрочное, снятия ограничений в ближайшие несколько лет я бы не ожидал, к сожалению. Это была очень важная для нас точка проведения исследований. Я и мои ближайшие коллеги в год принимали участие в 3 — 5 экспериментах на этой установке.
Ситуация с немецкими партнерами тоже критическая. Несмотря на то, что Россия несколько десятилетий участвовала в создании и финансировании сразу нескольких крупных и уникальных экспериментальных комплексов в Германии, сейчас доступ к ним также закрыт, отменены все эксперименты с российским участием. Объединение имени Гельмгольца, являющееся оператором либо ключевым участником этих мега-сайнс проектов запрещает своим сотрудникам поддерживать контакты и планировать новые эксперименты с учеными, работающими в российских организациях.
— И даже публиковаться в совместных исследованиях?
— Гельмгольц - да. Возможно, ситуация со временем станет легче, но на данный момент части наших коллег из Германии запрещено публиковать статьи в соавторстве с учеными из российских институтов, вне зависимости от того, когда и на каких установках были получены результаты.
Вообще для нашей области науки – физики лазерной плазмы, исследований вещества в экстремальном состоянии – особенно характерно проведение работ в рамках широкой международной коллаборации. Именно таким образом удается работать наиболее продуктивно, и небольшой научной группе публиковать ежегодно по несколько десятков статей в хороших журналах. Разрыв международного сотрудничества представляет для нас огромную проблему и неизбежно приведет к «просадке» уровня выполняемых нами работ.
— Есть ли в России подобные установки?
— На данный момент нет, хотя Россия и обладает достаточными компетенциями в производстве лазерного оборудования. Создание такой установки даже в благоприятных условиях займет не менее пяти лет, и по совокупности будет стоить 1.5-2 млрд руб. При этом как раз такая задача — строительство мульти-килоджоульного лазерного комплекса и экспериментальной платформы для моделирования астрофизических явлений — сейчас активно решается в рамках проекта стратегического развития Университета МИФИ. Большие надежды также возлагаем на деятельность и поддержку со стороны недавно созданного Национального Центра по физике и математике, где тематика лабораторной астрофизики выделена в качестве одного из приоритетов. Сложности неизбежно будут, прежде всего с оснащением современным диагностическим оборудованием. Посмотрим, что удастся сделать.