Российские физики раскрыли механизм запуска плазменных джетов

Установки плазменного фокуса существуют более 70 лет и являются ключевым инструментом для изучения сильноточных плазменных разрядов. В них мощный импульс тока разгоняет газовую оболочку, которая схлопывается к оси, формируя раскалённый плазменный жгут — пинч. На пике сжатия плотность и температура плазмы достигают огромных значений, генерируя нейтронное и рентгеновское излучение, а также пучки заряженных частиц. Однако самое интригующее происходит позже: после разрушения пинча из него вырывается узкий плазменный поток со скоростью свыше 100 км/с, способный сохранять компактность на больших расстояниях.

Экспериментальный прорыв

Долгое время оставалось неясным, что именно запускает этот плазменный поток. Физики выдвигали различные гипотезы, включая кумулятивный эффект при схождении оболочки или развитие «сосисочной» неустойчивости на пинче, но убедительных доказательств не было. Российские исследователи решили заглянуть в сердце процесса, сосредоточившись на узкой области на вершине токонесущей плазменной оболочки, где, по предварительным данным, зарождался поток.

Эксперименты проводились на установке плазменного фокуса при энергии разряда 28 кДж с использованием водорода и аргона в качестве рабочих газов. Для съёмки событий длительностью в наносекунды применялись два диагностических инструмента: многокадровая система на основе электронно-оптических преобразователей и лазерное зондирование на базе неодимового YAG-лазера. Обе системы синхронизировались относительно момента максимального сжатия пинча.

Ключевые результаты и астрофизические параллели

Результаты показали, что до пика производной тока и в пинчевой стадии никаких признаков зарождающегося потока над оболочкой не наблюдалось. Это опровергло гипотезу о кумулятивном эффекте при сжатии. Однако примерно через 20 наносекунд после пика картина изменилась: на снимках чётко проступили два объекта. Первый — компактное образование на самой вершине токонесущей оболочки, поднимающееся вместе с ней. Второй — стремительно удаляющийся плазменный сгусток, скорость которого более чем вдвое превышала скорость первого объекта и формировала ударную волну.

Теневые снимки при разряде в аргоне позволили увидеть начальный этап рождения сгустка. Он формировался непосредственно внутри токонесущей оболочки, между её верхней и нижней границами, как едва заметное уплотнение, которое затем стремительно разрасталось. Это указывало на то, что источником потока служит крошечная область на вершине оболочки, «просыпающаяся» после резкого обрыва тока из-за распада пинча.

Обнаруженный механизм демонстрирует поразительное сходство с работой «центрального двигателя» астрофизических джетов, наблюдаемых у молодых звёзд в объектах Хербига—Аро. Установки плазменного фокуса способны воспроизводить ключевые безразмерные параметры таких джетов, включая число Маха порядка 10 и более, число Рейнольдса в десятки и сотни тысяч, контраст плотностей от 1 до 10 и температуру плазмы в несколько электронвольт.

Это превращает их в миниатюрную, но физически адекватную копию космического «мотора», предоставляя уникальный стенд для лабораторного моделирования астрофизических явлений. Результаты исследования, опубликованные в журнале JETP Letters, не только проясняют фундаментальный механизм генерации плазменных потоков, но и укрепляют роль установок плазменного фокуса в изучении астрофизических процессов.