Физики научились создавать микро-сверхновые в лаборатории при помощи лазера

Британские физики приспособили один из самых мощных лазеров мира в лаборатории имени Резерфорда для создания миниатюрных подобий сверхновых, процесс взрыва которых теперь можно изучать прямо на Земле. Схема «генератора сверхновых» и результаты наблюдения за их взрывами в лаборатории опубликованы в журнале Nature Physics.

«Законы физики одинаковы для всех точек Вселенной, что позволяет уменьшить многие "космические" феномены до удобных для нас размеров. К примеру, волны в ведре воды ничем не отличаются по своим свойствам от "девятых валов" в океане. По этой причине наши эксперименты можно использовать для изучения сверхновых, в той же мере, что и астрономические наблюдения», — пояснил Джианлука Грегори из Оксфордского университета. Он и его коллеги смогли создать «карманный» аналог сверхновой Cas A, вспыхнувшей в созвездии Кассиопеи примерно 300 лет назад, экспериментируя с одним из самых мощных и «скорострельных» лазеров Великобритании — установкой Vulcan, способной генерировать серии из сверхкоротких импульсов мощностью в петаватт.

Авторов статьи интересовала эта сверхновая по той причине, что с момента ее обнаружения в 1980 году астрономы так и не смогли объяснить существования необычных «узелков» в возникшей на ее месте туманности, заметных в оптическом и рентгеновском диапазонах. Во всех других отношениях Cas A является обычной сверхновой типа IIb, возникшей в результате гравитационного коллапса «разбухшей» престарелой звезды.

Физики заметили, что мощности и «кучности» Vulcan достаточно для разогрева и сжатия небольших фрагментов материи до температур и давления, похожих на те, которые господствуют внутри звезды перед ее смертью. Руководствуясь этой идеей, они попытались воссоздать сверхновую в лаборатории при помощи лучей Vulcan.

Процесс создания «карманной» сверхновой весьма сложный, поскольку «звезду» нужно равномерно сжать со всех сторон, соблюдая особый температурный режим и давление «межзвездной среды», роль которой играло разреженное облако газа. Для определения всех этих параметров ученым пришлось создать компьютерную модель сверхновой, на работу с которой было затрачено свыше 20 миллионов часов работы суперкомпьютеров в Аргоннской национальной лаборатории в США.

Вычислив все необходимые свойства суперновой, физики приступили к «розжигу» сверхновой. Для этого они вырастили нить из углерода толщиной в человеческий волос и поместили его камеру, где находилось три излучателя Vulcan’а. Лазеру было достаточно всего 0,3 микросекунды, для того чтобы превратить нить в подобие сверхновой. За это время материя «звезды» успевала сжаться, разогреться до сверхвысоких температур, взорваться и превратиться в туманность.

Первые версии лабораторной сверхновой были мало похожи на то, как сегодня выглядит Кассиопея А. Это заставило ученых предположить, что распространению ударной волны и газов сверхновой что-то мешало. Наиболее вероятным кандидатом на роль таких препятствий являются «комки» межзвездного газа, расположенные неподалеку от умирающей звезды. Группа Грегори остроумно заменила этих комки газа пластиковой сеткой, которая окружала углеродную «звезду» и мешала ее останкам распространяться по камере, игравшей роль космоса.

«Когда ударная волна и поток газов проходили через решетку, они становились крайне неоднородными и турбулентными, что делало нашу микро-сверхновую неотличимой от того, как выглядит Cas A в реальности. Кроме того, мы обнаружили, что магнитное поле в останках сверхновой было гораздо сильнее во время экспериментов с сеткой, чем во время экспериментов без нее. Это открытие говорит в пользу того, что сверхновые не всегда напоминают идеальный шар, расширяющийся по всем направлениям», — отметил Грегори.

По оценкам ученых, их «генератор сверхновых» можно использовать и для изучения других типов взрывов, возникающих при смерти престарелых светил или при слиянии белых карликов или нейтронных звезд. По их словам, подобные эксперименты помогут понять, как формировались и распространялись по Вселенной атомы тяжелых элементов и гигантские «безродные» магнитные поля, наполняющие Млечный Путь и другие галактики.