Нагрев ионов в космической плазме при компрессионных колебаниях
В дополнение к трем нормальным состояниям материи (твердое, жидкое и газообразное), которые мы наблюдаем вокруг себя каждый день, существует дополнительное состояние, называемое плазмой, которое существует только при высоких температурах. В этих условиях электроны отделяются от своих родительских атомов, оставляя после себя положительно заряженные ионы. В космической плазме электроны и ионы редко сталкиваются друг с другом, а это означает, что они могут сосуществовать в разных условиях, например, при разных температурах. Однако нет очевидной причины, по которой они должны иметь разные температуры, если только какая-то сила не воздействует на них по-разному. Долгое время оставалось загадкой почему ионы в космической плазме обычно горячее электронов.
Фото: Йохей Кавазура
Один из способов нагрева плазмы - турбулентность. Хаотические колебания турбулентности плавно перемешиваются с частицами, а затем их энергия превращается в тепло. Чтобы определить роль различных типов флуктуаций в нагреве плазмы, международная группа под руководством Йохея Кавадзуры из Университета Тохоку в Японии выполнила первое в мире моделирование космической плазмы, включая два типа флуктуаций: поперечные колебания силовых линий магнитного поля и продольные колебания давления. Они использовали нелинейное гибридное гирокинетическое моделирование, которое особенно хорошо подходит для моделирования медленных колебаний. Это моделирование проводилось на нескольких суперкомпьютерах, включая ATERUI II в Национальной астрономической обсерватории Японии.
Результаты показали, что продольные флуктуации смешиваются с ионами, но игнорируют электроны. С другой стороны, поперечные флуктуации могут смешиваться как с ионами, так и с электронами. «Удивительно, но продольные колебания разборчивы в отношении видов-партнеров, с которыми они могут смешиваться», - говорит Кавазура. Это ключевой результат для понимания отношения нагрева ионов к электронам в плазме, наблюдаемой в космосе, например, вокруг сверхмассивной черной дыры в Галактике M87.
Подготовлено по материалам Phys.org