С помощью сверхмощных лазеров ученые научились моделировать процессы, происходящие в глубинах космоса.

Астрофизика вступает в новую фазу развития. С появлением мощных лазеров ученые получили возможность "пощупать" многие процессы, которые раньше могли лишь наблюдать издалека. Уже сейчас в крупных лабораториях мира проводятся эксперименты, в ходе которых имитируются условия внутри звезд и планет-гигантов, в окрестностях черных дыр и взрывов сверхновых.

Это кажется необычным, если не сказать больше - невероятным: настолько несравнимы параметры изучаемых объектов по сравнению с земными. А еще необычайно высокая температура, скорости, плотность... Но, как ни удивительно, многие из космических объектов можно восстановить в земной лаборатории - в уменьшенном или даже реальном масштабе. О таких экспериментах шла речь на недавней конференции-встрече отделения плазменной физики Американского физического общества в Далласе (штат Техас, США).

Лабораторные астрофизические эксперименты делает вполне реальными новое поколение лазеров, начальная мощность которых измеряется в петаваттах, то есть миллионах миллиардов ватт. Лазерный пучок, попадая в мишень, способен за миллиардные доли секунды сжать ее до чрезвычайно высокой плотности или (если использовать более сложную технологию) разогреть вещество до энергий, похожих на звездные. Для чего это нужно?

Брюс Ремингтон, сотрудник Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (США), полагает, что лазер поможет моделировать условия внутри звезд. Один из главных параметров, определяющих всю жизнь звезды, - это коэффициент прозрачности ее вещества. Источник энергии звезды - ядро, где происходит термоядерное "горение" и откуда затем энергия переносится к поверхности. Коэффициент прозрачности каждого звездного слоя и определяет эффективность этого переноса. Лазерные установки способны разогревать вещество до практически звездных энергий: по словам Брюса Ремингтона, приблизительно до 200 эВ (электронвольт), что соответствует температуре Солнца на глубине в половину его радиуса. Таким образом, лазерами можно имитировать плазму в глубинах звезд и определять, насколько прозрачны различные вещества, например железо, в зависимости от плотности. Первые эксперименты такого рода на лазерах Nova и Jupiter в Ливерморской лаборатории Лоуренса помогли лучше понять, как устроены цефеиды - массивные звезды, яркость которых периодически меняется.

Не менее, чем звезды, интересны их "младшие братья" - планеты - газовые гиганты, где известные нам, казалось бы, вещества ведут себя совсем не так, как мы привыкли. Например, предполагается, что на Юпитере под большим давлением водород превращается вначале в жидкость, а затем - в металл, а также из диэлектрика становится проводником. К сожалению, детали этого процесса и многие другие вопросы строения Юпитера до сих пор неясны, поскольку не совсем понятно, что происходит с водородом в таких условиях. Но с помощью лазеров можно попытаться смоделировать и эти процессы, создав высокое давление на мишень. Такие эксперименты уже ведутся, в частности, на лазере Omega в лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета в США. В результате дейтерий (тяжелый изотоп водорода), сжатый ударной волной, удалось превратить в жидкий металл. Но это - только часть пути к полному пониманию Юпитера и подобных ему планет. Дальнейшие эксперименты с водородом должны помочь прояснить вопрос, как устроена самая большая планета Солнечной системы, есть ли у нее твердое ядро и какие процессы разворачиваются в ее недрах.

Отдельный объект интереса экспериментаторов - черные дыры, компактные и сверхмассивные объекты. Плотность вещества внутри них высока, и, как следствие, гравитационное поле черной дыры настолько сильно, что за его пределы не может вырваться даже свет. Впрочем, увидеть, где предположительно находится такой объект, все-таки можно. Поскольку гравитация вблизи черных дыр очень велика, они начинают "засасывать" окружающий газ и пыль, которые, двигаясь по спирали, образуют аккреционный диск (аккрецией называется процесс падения вещества на черную дыру). Однако, перед тем как окончательно пропасть за "горизонтом", вещество разогревается и светится, подобно раскаленной спирали на плитке. Внутренняя, наиболее горячая часть диска светит в рентгеновском диапазоне, более далекие области - в видимом. В свою очередь рентгеновские фотоны ионизируют вещество вокруг, создавая так называемую фотоионизированную плазму, которая также начинает светить в рентгене. Это излучение и наблюдают обсерватории вблизи Земли. Если распутать цепочку назад, то по свойствам излучения фотоионизированной плазмы теоретически можно восстановить условия вблизи черной дыры: температуру, состав, скорость течения и плотность аккреционного диска. И здесь, как утверждает Брюс Ремингтон, тоже помогут лазерные эксперименты. В частности, исследователи взялись за расшифровку спектра ионизированного железа. Такие эксперименты проводились на ускорителе Z Национальной лаборатории Сандиа (США) и уже упоминавшемся лазере Omega. Они оказались удачными, но не вполне удовлетворительными: степень ионизации была ниже, чем в реальной плазме.

Наконец, лазерные эксперименты привлекают ученых, занимающихся взрывами звезд во Вселенной. В числе "взрывотехников" - Михаил Медведев, сотрудник РНЦ "Курчатовский институт" и профессор университета Канзаса, предложивший с помощью лазера воссоздать то, что происходит при гамма-всплеске, и выяснить, почему мы это видим. Гамма-всплески - необычайно мощные вспышки гамма-излучения. Их источники находятся на границе наблюдаемой Вселенной, а яркость больше, чем у всех звезд и галактик вместе взятых. В эксперименте планируется восстановить практически в реальном масштабе структуру ударной волны гамма-всплеска. Лазерный импульс создает в плазме ударную волну, где рождаются магнитные поля, которые по масштабам всего лишь в десятки раз меньше реальных. Плотность лабораторной плазмы практически соответствует плотности вещества внутри взрыва, а энерговыделение гамма-всплеска равно лазерному - 1022 ватта на квадратный сантиметр. Поэтому ожидается, что в лабораторной ударной волне должны происходить те же процессы, что и в космосе. Подобные эксперименты уже проводились на лазере Vulcan в британской лаборатории Резерфорда-Эплтона - с положительным результатом, но на твердой мишени. Следующим шагом должен стать эксперимент с газовой мишенью, который предполагается провести на лазере Hercules в Мичиганском университете.

Другие ударные волны, интересные исследователям, возникают при взрывах сверхновых звезд. Когда массивная звезда тратит запас термоядерного топлива, ее внутренние области падают внутрь (коллапсируют), что приводит к мощному взрыву (по одной из теорий такие взрывы могут приводить и к гамма-всплескам). При этом более тяжелые внутренние слои давят на более легкие внешние и как будто "просачиваются" в них отдельными "пальцами", которые затем начинают изгибаться, постепенно смешиваясь с окружающим более легким веществом. Смоделировать этот процесс очень сложно, поэтому все модели сверхновых ударных волн имеют ту или иную степень приближения. Однако с помощью лазера можно добиться более точных результатов. Сделать это попытался на Omega Пол Дрейк, сотрудник Мичиганского университета. Лазерный импульс создавал ударную волну в бериллиевой трубке, заполненной двумя слоями пластмассы и аэрогеля. Под действием ударной волны более тяжелая пласт­масса начала проникать в аэрогель в виде тех самых "пальцев", а потом оба вещества перемешивались.

Эти и другие эксперименты ученые предполагают продолжить на установке NIF (National Ignition Facility), которая сейчас строится в Ливерморской лаборатории и будет готова к работе в 2009 году. NIF обещает стать одной из самых впечатляющих лазерных установок (ее мощность составит 500 тера­ватт - в сто раз больше, чем суммарная мощность всех электростанций мира). Например, при помощи NIF ученые надеются приблизиться к "чернодырному" идеалу. Экспериментаторы планируют поместить железный образец в специальную камеру (хольраум). Лазерные лучи нагреют стенки камеры, которые начнут испускать рентгеновские фотоны. Ионизированное таким образом железо, помещенное в камеру, в свою очередь станет источником рентгеновского излучения, которое и будут регистрировать приборы.

Вместе со своими "коллегами" из других институтов NIF станет одним из главных орудий лабораторной астрофизики ближайших лет. И, возможно, уже совсем скоро многие загадки Вселенной удастся разгадать прямо на Земле.