Физики планируют создать магнитное поле черной дыры на Земле. Зачем это нужно?

На благо науки

Согласно результатам нового исследования физиков из нескольких университетов Японии, Испании, США и Чехии, которые опубликовали в журнале Scientific Reports, создать чрезвычайно сильное магнитное поле на Земле можно с помощью мощных энергетических лучей — лазеров.

Ученые планируют выстреливать такими лазерами в небольшие трубки, диаметром всего несколько микрон.

Авторы исследования объясняют, что мощный энергетический луч должен возбуждать электроны в стенках трубки и заставлять их перемещаться в пустую плоскость в ее центре, буквально разрывая всю конструкцию.

В свою очередь, взаимодействие электронов, нагретых до очень высоких температур, с вакуумом, который образуется при взрыве трубки, повлечет за собой протекание электрического тока и создание магнитного поля.

Компьютерная модель физиков подтвердила, что проведение такого эксперимента с достаточно высокими энергиями может привести к появлению магнитного поля, эквивалентного по силе магнитному полю черной дыры или нейтронной звезды.

«Горячие электроны настолько энергичны, что некоторые из них покидают целую стенку и попадают в полость. Ионы на поверхности ускоряются внутрь за счет расширения в вакуум… Таким образом в центре трубки можно создать магнитное поле с очень большим коэффициентом увеличения», — указано в работе.

Проблема лишь в том, что для создания магнитного поля такой силы нужно будет использовать лазеры с общей мощностью от 10 до 100 петаватт (петаватт — это миллион миллиардов ватт).

В марте прошлого года руководители проекта Extreme Light Infrastructure достигли мощности лазера в 10 петаватт во время одного из своих экспериментов. Это устройство стало самым мощным лазером в мире.

Ранее ученые из Китая заявили о планах построить 100-петаваттный лазер.

Зачем это нужно?

Физики предполагают, что новый метод позволит создать на Земле самое мощное магнитное поле в истории исследований. Показатель индукции такого магнитного поля должен составить около 1 млн Тесла.

К сравнению, индукция магнитного поля Земли на ее полюсах составляет примерно 60 микроТесла, а на экваторе — 30 микроТесла.

Даже обычное медицинское устройство магнитно-резонансной томографии может создавать магнитное поле с индукцией в 1−1,5 Тесла. А действующий лабораторный рекорд магнитного поля составляет 1200 Тесла, — его поставили ученые из США в 2018-м с помощью тех же лазеров.

Как объясняют авторы нового исследования, создание магнитного поля такой силы даже на несколько наносекунд может стать настоящим прорывом для ряда фундаментальных наук, включая физику плазмы и лучевой энергии, астрофизику, атомную и молекулярную физику, материаловедение и т. д.

Примеры возможных практических применений «магнитного поля черной дыры» на Земле — криогенное охлаждение для квантовых исследований, высокоэнергетические эксперименты с поиском темной материи и разработка эффективного термоядерного реактора.

Сейчас создание мощных и управляемых магнитных полей является одной из главных проблем для термоядерных реакторов.

Как уже писал НВ, термоядерный синтез считают более безопасным, чем процесс ядерного распада, используемый на атомных электростанциях.

Основа этой безопасности — удержание плазмы или электрически заряженного газа сильным магнитным полем. В теории такое поле должно удерживать чрезвычайно горячую плазму (около 100 млн градусов Цельсия) и делать так, чтобы она не касалась каких-либо частей конструкции, сохраняя энергию.

При малейшем нарушении процесса синтеза плазму нужно будет нагревать заново, тратя на это огромное количество энергии, поэтому сильное магнитное поле играет ключевую роль в термоядерном реакторе.

Самое сильное магнитное поле во Вселенной

Несмотря на то, что черные дыры гораздо тяжелее нейтронных звезд, более сильные магнитные поля часто бывают именно у последних космических объектов.

К примеру, недавно астрономы из Китая и Германии обнаружили самое сильное магнитное поле во Вселенной. Его источником стала нейтронная звезда-пульсар GRO J1008−57.

Пульсарами называют вращающиеся нейтронные звезды, — очень плотные космические объекты, диаметр которых составляет от 10 до 20 км, а масса приблизительно равна массе Солнца.

Исследователи заметили новый пульсар с помощью китайской обсерватории Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT), которая исследует черные дыры и нейтронные звезды в рентгеновском диапазоне излучения.

Анализируя мощные вспышки электромагнитного излучения в 2017-м, астрономы определили, что индукция магнитного поля GRO J1008−57 примерно равна одному миллиарду Тесла.

Ученые предполагают, что во Вселенной существуют нейтронные звезды с индукцией магнитного поля в сотни миллиардов Тесла. Эти теоретические объекты называют магнетарами.

До недавнего времени эксперты полагали, что магнетары появляются из-за так называемого эффекта динамо: если во время рождения нейтронной звезды она вращается очень быстро (около 1000 оборотов в секунду) это может создать мощнейшее магнитное поле.

Но в прошлом году ученые из Университета Амстердама заявили, что сверхновые звезды, ставшие причиной появления магнетаров, весили в 20−30 раз больше Солнца. Это идет вразрез с эффектом динамо, согласно которому магнетары образуются после взрыва гораздо более тяжелых звезд.

Теперь астрофизики считают, что магнетары имеют «ископаемое магнитное поле», то есть зависят от первоначальной силы магнитного поля звезды. Если этот показатель будет высоким — он сохранится и во время ее взрыва, делая нейтронную звезду магнетаром.

Хотя нам, на Земле, все равно придется создавать магнитные поля такой силы с помощью лазеров и нанотрубок.