Фізики планують створити магнітне поле чорної діри на Землі. Навіщо це потрібно?

Задля науки

Згідно з результатами нового дослідження фізиків з декількох університетів Японії, Іспанії, США та Чехії, опублікуваними в журналі Scientific Reports, створити надзвичайно сильне магнітне поле Землі можна за допомогою потужних енергетичних променів — лазерів.

Вчені планують вистрілювати такими лазерами в невеликі трубки, діаметром всього кілька мікронів.

Автори дослідження пояснюють, що потужний енергетичний промінь має збуджувати електрони в стінках трубки та змушувати їх рухатися в порожню площину в її центрі, буквально розриваючи всю конструкцію.

Своєю чергою, взаємодія електронів, нагрітих до дуже високих температур, з вакуумом, який утворюється під час вибуху трубки, спричинить протікання електричного струму і створення магнітного поля.

Комп’ютерна модель фізиків підтвердила, що проведення такого експерименту з досить високими енергіями може призвести до появи магнітного поля, еквівалентного за силою магнітному полю чорної діри або нейтронної зірки.

«Гарячі електрони настільки енергійні, що деякі з них залишають цілу стінку і потрапляють в порожнину. Іони на поверхні прискорюються всередину за рахунок розширення в вакуум… У такий спосіб в центрі трубки можна створити магнітне поле з дуже великим коефіцієнтом збільшення», — зазначено в роботі.

Проблема лише в тому, що для створення магнітного поля такої сили потрібно буде використовувати лазери із загальною потужністю від 10 до 100 петаватт (петаватт — це мільйон мільярдів ватт).

У березні минулого року керівники проекту Extreme Light Infrastructure досягли потужності лазера в 10 петаватт під час одного зі своїх експериментів. Цей пристрій став найпотужнішим лазером у світі.

Раніше вчені з Китаю заявили про плани побудувати 100-петаваттний лазер.

Навіщо це потрібно?

Фізики припускають, що новий метод дозволить створити на Землі найпотужніше магнітне поле в історії досліджень. Показник індукції такого магнітного поля має становити майже 1 млн Тесла.

До порівняння, індукція магнітного поля Землі на її полюсах сягає приблизно 60 мікроТесла, а на екваторі - 30 мікроТесла.

Навіть звичайний медичний пристрій магнітно-резонансної томографії може створювати магнітне поле з індукцією в 1−1,5 Тесла. А чинний лабораторний рекорд магнітного поля становить 1200 Тесла, — його поставили вчені із США в 2018-му за допомогою тих же лазерів.

Як пояснюють автори нового дослідження, створення магнітного поля такої сили навіть на кілька наносекунд може стати справжнім проривом для низки фундаментальних наук, включаючи фізику плазми та променевої енергії, астрофізику, атомну та молекулярну фізику, матеріалознавство і т. ін.

Приклади можливих практичних застосувань «магнітного поля чорної діри» на Землі - кріогенне охолодження для квантових досліджень, високоенергетичні експерименти з пошуком темної матерії та розробка ефективного термоядерного реактора.

Зараз створення потужних і керованих магнітних полів є однією з головних проблем для термоядерних реакторів.

Як уже писав НВ, термоядерний синтез вважають більш безпечним, ніж процес ядерного розпаду, який використовується на атомних електростанціях.

Основа цієї безпеки — утримання плазми або електрично зарядженого газу сильним магнітним полем. У теорії таке поле має утримувати надзвичайно гарячу плазму (десь 100 млн градусів за Цельсієм) і робити так, щоб вона не торкалася будь-яких частин конструкції, зберігаючи енергію.

За найменшого порушення процесу синтезу плазму потрібно буде нагрівати заново, витрачаючи на це величезну кількість енергії, тому сильне магнітне поле відіграє ключову роль у термоядерному реакторі.

Найсильніше магнітне поле у Всесвіті

Незважаючи на те що чорні діри набагато важчі за нейтронні зірки, більш сильні магнітні поля часто бувають саме в останніх космічних об'єктів.

Наприклад, нещодавно астрономи з Китаю та Німеччини виявили найсильніше магнітне поле у Всесвіті. Його джерелом стала нейтронна зірка-пульсар GRO J1008−57.

Пульсарами називають обертові нейтронні зірки, — дуже щільні космічні об'єкти, діаметр яких становить від 10 до 20 км, а маса приблизно дорівнює масі Сонця.

Дослідники помітили новий пульсар за допомогою китайської обсерваторії Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT), яка досліджує чорні діри та нейтронні зірки в рентгенівському діапазоні випромінювання.

Аналізуючи потужні спалахи електромагнітного випромінювання в 2017-му, астрономи визначили, що індукція магнітного поля GRO J1008−57 приблизно дорівнює одному мільярду Тесла.

Вчені припускають, що у Всесвіті існують нейтронні зірки з індукцією магнітного поля в сотні мільярдів Тесла. Ці теоретичні об'єкти називають магнетарами.

Донедавна експерти вважали, що магнетари з’являються через так званий ефект динамо: якщо під час народження нейтронної зірки вона обертається дуже швидко (десь 1000 обертів на секунду), це може створити найпотужніше магнітне поле.

Але торік учені з Університету Амстердама заявили, що наднові зірки, що стали причиною появи магнетарів, важили в 20−30 разів більше за Сонце. Це йде врозріз з ефектом динамо, згідно з яким магнетари утворюються після вибуху набагато важчих зірок.

Тепер астрофізики вважають, що магнетари мають «викопне магнітне поле», тобто залежать від початкової сили магнітного поля зірки. Якщо цей показник буде високим — він збережеться і під час її вибуху, роблячи нейтронну зірку магнетаром.

Хоча нам, на Землі, все одно доведеться створювати магнітні поля такої сили за допомогою лазерів і нанотрубок.