Ученые из Университета Висконсина-Мэдисон совершили прорыв в астрофизике, определив механизм, объясняющий, как из хаоса космической турбулентности рождаются упорядоченные крупномасштабные магнитные поля. Результаты, полученные с помощью одной из самых сложных в истории компьютерных симуляций и опубликованные в журнале Nature, открывают новые перспективы для понимания множества явлений — от слияния нейтронных звезд до прогнозирования солнечной активности.

Прорыв после семидесяти лет научных поисков

Магнитные поля пронизывают Вселенную: они управляют солнечным ветром, участвуют в формировании галактик и влияют на движение частиц высоких энергий. Однако их природа десятилетиями оставалась для ученых загадкой. Главный парадокс состоял в следующем: наблюдаемые в космосе поля крупномасштабны и упорядочены, тогда как все существующие теории предсказывали, что турбулентность плазмы способна порождать лишь мелкомасштабный хаотичный магнетизм.

«Проблема генерации магнитных полей изучалась на протяжении 70 лет, и разочаровывающий результат был почти всегда один: смоделированные поля получались мелкомасштабными и крайне неупорядоченными, что противоречит наблюдениям, — объясняет Пол Терри, профессор физики в UW–Madison и старший автор исследования. — Эта работа потенциально решает давнюю проблему».

Исследовательская группа под руководством Биндеша Трипати, научного сотрудника Колумбийского университета, предложила новый подход, основанный на двух ключевых идеях. Ученые предположили, что недостающий элемент — это постоянный градиент скорости, который возникает, когда разные слои газа или плазмы движутся с разной скоростью. Подобное происходит, например, в недрах Солнца или при слиянии нейтронных звезд.

Критическая роль устойчивых градиентов скорости

«Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный агент, оставался вопрос: как она может создавать что-то конструктивное и крупномасштабное?» — говорит Трипати. Ответ заключается в поддержании устойчивого градиента скорости.

С помощью беспрецедентной по своему масштабу симуляции использующей около половины мощностей суперкомпьютера Anvil в Университете Пердью, команда смоделировала поведение плазмы в сетке из 137 миллиардов точек. За почти 100 миллионов процессор-часов было сгенерировано 0.25 петабайта данных. Результат оказался однозначным: при наличии в модели устойчивого градиента скорости изначально хаотичные магнитные вихри со временем самоорганизовывались в единое упорядоченное поле. В симуляциях, где градиент скорости затухал, этого не происходило — оставался лишь хаос.

«Так что это и есть главный ключ: наличие устойчивого, крупномасштабного градиента скорости», — подчеркивает Трипати.

От лаборатории до космоса

Хотя напрямую проверить теорию в далеком космосе пока невозможно, она уже нашла подтверждение в земных условиях. Выяснилось, что новая модель точно описывает результаты лабораторного эксперимента 2012 года, проведенного в Wisconsin Plasma Physics Laboratory. Данные того эксперимента противоречили всем теориям, существовавшим на тот момент, но теперь идеально вписываются в новую модель.

Потенциал практического применения открытия огромен. «Эта работа может объяснить динамику магнитных полей, возникающих, например, при слиянии нейтронных звезд и формировании черных дыр, что имеет прямое отношение к мультимессенджерной астрономии», — отмечает Трипати. Кроме того, это поможет лучше понимать магнитные поля звезд и точнее прогнозировать выбросы солнечной плазмы в сторону Земли, влияющие на нашу «космическую погоду».

Когда делали процедуру УВЧ в детстве (горло грели), медсестра подносила к излучателю палочку из чёрной пластмассы. На конце начинала светится лампочка загадочным оранжевым светом.

Как-то отец принёс с работы неоновую индикаторную лампочку. Я развлекался с ней: в темноте проводил по наэлектризованному свитеру, через колбу лампочки проскакивали оранжевые разряды. Это явление ударной ионизации. Электроны ускоренные электромагнитным полем выбивают из атомов неона новые электроны, возникает лавинообразный процесс: число свободных электронов и ионов быстро нарастает — газ становится плазмой (проводящей средой). Вспышки были слабые, еле различались в темноте.

Я решил, что нужно взять с собой неонку на сеанс физиотерапии. Горло в детстве болело часто, ждать долго не пришлось, меня направили на физиотерапию. После того как медсестра приложила электроды к моему многострадальному горлу она включила генератор радиочастоты. Эти электроды можно было прикладывать не только к горлу, но и к пояснице, переносице, а может ещё куда.

Моё горло стало потихоньку поджариваться токами Фуко протекающими в мышцах, гортани и кровеносных сосудах. Сестра перевернула песочные часы на генераторе, задёрнула занавеску (весь кабинет был перегорожен занавесками для спокойствия пациентов) и ушла на пост. На посту стояли специальные часы которые отслеживали время процедур сразу для разных пациентов. Достаточно было поставить фишку с номером отсека в одно из 60 гнёзд на циферблате. По истечении времени, когда минутная стрелка указывала на фишку, раздавался сигнал зуммера, довольно мерзкий, как и многие звуковые сигналы в советское время.

Дождавшись когда сестра ушла, я нащупал в кармане лампочку, достал её и приложил к проводу идущему к излучателю от генератору. Чудо, лампа засветилась ярким оранжевым светом. Без проводов, без патрона. Мой естественнонаучный интерес был удовлетворён. Песок в часах покинул верхний отсек, на посту затрещал зуммер, сеанс прожарки RF генератором был закончен. Заряженный радиоэнергией я побежал по унылым (как и многое в СССР) осенним лужам домой.

Эй, земляне! С новым витком вокруг Солнца!

Да осветит плазма ваш путь!
И пусть следующий виток принесет больше положительных переживаний и нам всем это понравится

С Новым Годом! :)

Российские физики разрабатывают ключевые технологии для будущей термоядерной энергетики. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН создан и испытан прототип инжектора высокоэнергетических частиц, необходимого для нагрева и диагностики плазмы в перспективных токамаках.

Устройство генерирует пучок отрицательных ионов водорода с энергией 400 кэВ и током свыше 1 А. В отличие от большинства зарубежных аналогов, российская конструкция имеет уникальную особенность: ионный источник отделён от ускорителя специальной переходной зоной. Это позволяет эффективно очищать пучок от паразитных частиц и значительно повышает надёжность и высоковольтную прочность всей системы.

Разработка ведётся в рамках проекта по созданию нового российского токамака с реакторными технологиями (ТРТ). Для этой установки потребуются инжекторы, способные создавать пучки атомов дейтерия мощностью более 20 мегаватт в продолжительных импульсах. Отработанные в прототипе технические решения — включая систему охлаждения электродов и метод распределённой подачи цезия — станут основой для создания этих мощных систем.

Полученные результаты подтверждают эффективность выбранного подхода и укрепляют позиции российских учёных в глобальных исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, отметили в ИЯФ.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь

Ранее я уже выдвигал теорию о том, что наше Солнце может оказаться живым существом, но намеренно сделал это в основном в философском ключе, теперь же пришла пора обсудить теорию альтернативной жизни в плазме с точки зрения науки и теорий, которые выдвигались ранее.

Возможно, что темной материи не существует. Корейский физик Кю Хюн Че выдвинул модифицированную теорию гравитации, которая гласит, что законы природы меняются в зависимости от обстоятельств. И ни правила Исаака Ньютона, ни постулаты Эйнштейна не работают на очень больших расстояниях – между звездами и галактиками. Эта концепция отменяет, в частности, темную материю. Прежде она была нужна, чтобы объяснить, почему гравитация во Вселенной настолько сильна, что для ее производства как бы не хватает видимой массы. Не может, мол, то вещество, которое есть, дать эту силу притяжения. Значит есть другое вещество, невидимое, оно и тянет.

Оригинал статьи корейского ученого был опубликован в журнале The Astrophysical Journal, то есть прошла все возможные проверки и не содержит ни малейшей неточности.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101

Астроном запросил у спутника Gaia сведения об орбитах двойных звезд. Корейца интересовали орбиты относительно близких двойных звезд (до 650 световых лет), и всего он проанализировал 26 500 двойных систем.

Вообразите, что одна звезда вращается вокруг другой. Силы гравитации не дают ей улететь. Но велики ли они? Очень, очень слабы. Исчезающе. Солнце притягивает Плутон намного сильнее, чем главная звезда – своего спутника.

Оказалось, что, когда гравитация столь серьезно ослабевает, она… усиливается. Это очень странно: вот, вы улетаете от Солнца, оно ослабляет хватку, вы уже почти не держитесь ее тяготением… и вдруг Солнце словно сжимает клешни, и вы снова в плену. Врешь, говорит, не уйдешь.

Именно по этой причине системы двойных звезд не разлетаются.

В науке достоверность открытия оценивают так называемыми сигмами. У корейца уровень 5 «сигм», а для большинства выводов даже больше. Это означает, что его выкладки верны с вероятностью свыше 99,9%. Ну что тут говорить, все понятно.

Тем временем другие физики, такие как Мартин Рис из Кембриджа выдвигают теории, будто эволюция свойственна не только живому, но и вообще всему. Естественный отбор отбраковывает звезды, которые не слишком удачно созданы природой. Конструкции атомов. Кристаллические решетки металлов и камней. В конечном счете вся Вселенная – это эволюционирующий организм.

Эта гипотеза призвана преодолеть старое, еще XIX века, представление о том, что Вселенная стремится к упрощению (к состоянию с минимально энергией) и в процессе жизни только «разрушается». Третий закон термодинамики (именно он постулирует рост энтропии) выглядит разумным: разломать проще, чем построить. Чашка с чаем может сама остыть, но не может сама нагреться, и так далее. Но он явно противоречит глобальной картине мира. Вселенная, конечно же, становится только сложнее: сразу после Большого взрыва она состояла практически из одного водорода, потом явились другие химические элементы, наконец, возникла жизнь.

И да, это усложнение всего вокруг в самом деле очень напоминает естественный отбор по Дарвину. Так, далеко-далеко (а это значит, в прошлом, откуда наконец дошел до нас свет) мы наблюдаем звезды размером с галактику. Это своего рода «динозавры» - таких сейчас нет, они вымерли.

Стоп, мы только что назвали Вселенную «организмом». Не значит ли это, что все Бытие – живое, а Вселенная – разумна?

Эта идея кажется безумной и антинаучной нам – но ни в античности, ни в эпоху Возрождения она таковой не казалась. Джордано Бруно сгорел на костре в том числе за то, что был сторонником «одушевленного мира» - и он был не одинок в этом убеждении.

Концепция «мирового разума» носит название «панпсихизм». Термин предложил в XVI веке итальянец Франческо Патрици, но гипотезу сформулировали задолго до него. Первым, возможно, был Фалес из Милета (VII-VI века до нашей эры), а оформил – Платон.
Сегодня, правда, предпочитают говорить «панэкспериментализм». Термин придумал в 1970-е Дэвид Рэй Гриффин

«Если солнце обладает сознанием, возможно, оно регулирует свое тепло и энергию всей Солнечной системы с помощью вспышек и корональных выбросов масс. Также возможно, что Солнце общается с другими звездами внутри Галактики», именно так сформулировал самые скандальные положения панэкспериментализма философ Руперт Шелдрейк в своей статье в Journal of Consciousness Studies.
Но философами опять дело не ограничилось, нельзя не упомянуть Грега Мэтлофа, физика, инженера, человека, который создает двигатели для НАСА – и это он в 2015 году выступил с идеей «звезд, у которых есть воля». Он протестовал против темной материи.

Как сказал Филипп Гофф в своей статье 2019 года: «Ваши носки не разумны, но они состоят из атомов, которые вероятно разумны и вы не можете доказать обратное».

Я знаю биологов, которые всерьез отвергают сознание у животных, хотя в целом современная биология движется к признанию братьев наших меньших за полноправных партнеров. «Трудная проблема» (hard problem of consciousness) сводится к вопросу: почему некоторые системы могут получать опыт, осмыслять его и корректировать свои действия в соответствии с опытом. Только ли мозг способен на такое? Мы не знаем достоверно.

Положение отчасти спасает теория интегрированной информации, в свое время предложенная Джулио Тонони. Она по крайней мере позволяет записать этот «опыт» в виде числа («число фи»), а с числами наука работать умеет. Наш мозг – система с высоким «числом фи». Можно представить другую систему, с меньшим «фи»: она будет «глупее» мозга. У камня, наверное, фи близко к нулю (но это не значит, что оно равно нулю).

Радикальные трактовки квантовой механики предполагают, что для высокого «фи» не нужны миллиарды нейронов: сознание есть даже у элементарных частиц. Эту ересь давным-давно предложил математик Альфред Норт Уайтхед. Он говорил, что мир вообще состоит не из материи, а из событий (в вульгарной трактовке – «из информации», но событие Уайтхеда – это больше, чем информация). По его мнению, источник сознания – время, которое связывает «раньше» и «позже» и в конечном счете наделяет наше бытие смыслом. Его последователи предложили термин «холон». Это система, которая состоит из разумных систем, и сама разумна – но умнее своих компонентов. Итак, Солнце разумно, потому что разумны составляющие его атомы.

Выше я привел цитату Руперта Шелдрейка о том, что Солнце, вероятно, управляет собой и миром вокруг себя с помощью вспышек. И электромагнитных волн.
Пионер «разумных звезд» Грег Мэтлоф утверждает, что звезды, стремясь занять то или иное место в галактике, корректируют свое движение с помощью реактивных струй. Его гипотезу несложно проверить статистическими методами, и астрономы заняты этим сейчас. Мэтлоф полагает, что разум звезд не сильнее, чем у ночной бабочки, которая летит на свет. Его последователь Климент Видал думает, что у звезд есть эмоции, воля и главное – злость. Звезды – это хищники, которые стремятся съесть себе подобных. В самом деле, звезд, поглощающих материю у соседей, на небе очень много.

Возможно, звезды даже разумней, чем примитивный хищник. Выше мы говорили, что наш мозг невероятно сложен, но вряд ли он самая сложная структура во Вселенной.
Структура электромагнитных волн и полей вокруг Солнца не менее сложна, и, если это часть его мозга, «число фи» там огромное. Именно так полагает МакФадден: электромагнитные поля Солнца разумны и сами по себе, и вместе с Солнцем.

Но пойдем еще дальше, мы ведь исходим из предположения, что разумными могут быть сами атомы, а значит даже плазменная форма жизни имеет право на существование.

Международная группа ученых в 2007 году во главе с Цытовичем задокументировала явление, когда при определенных условиях частицы неорганической пыли образуют структуры, которые напоминают спирали ДНК и их взаимодействие похоже на поведение органических элементов. Похожее происходит в плазме, четвертом агрегатном состоянии, когда электроны образуют облако заряженных частиц. Из-за того, что во Вселенной много плазмы и космической пыли, а об условиях можно только догадываться, это делает возможным образование новых живых организмов из пыли и плазмы, которые смогут эволюционировать.

Цитата:
«Когда Дэвид Бом исследовал плазму в рамках своей докторской диссертации, он обнаружил, что её частицы связаны друг с другом. Что существуют положительные и отрицательные заряды, которые взаимодействуют друг с другом так, будто они одна сущность»

На первый взгляд, плазма — это что-то редкое и экзотическое, однако это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, так как она составляет основную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.

Но некоторых физиков интересует не столько обычная плазма, сколько более сложный случай — так называемая пылевая плазма.

Пылевая плазма отличается от "просто плазмы" наличием пылинок — крошечных частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. Впервые пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах наблюдал Ирвинг Лэнгмюр, нобелевский лауреат по химии, который собственно и предложил ввести в научный обиход слово "плазма".

Но с тех пор плазма с пылью внутри практически никого не интересовала. Только самую малость она привлекала астрономов, ведь космическую плазму засоряют самые разные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна.

Тяга к пылевой плазме у учёных снова возникла в середине 1980-х годов в связи с развитием технологий создания микросхем. Одним из важных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность — точнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.

Однако оказалось, что при создании микросхем посредством плазменного травления — метода, использующего поток плазмы для распыления подложки — от пыли избавиться очень трудно. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. Когда же они стали прикладывать больше усилий для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.

Долгое время никто не мог понять — в чём дело, пока внутрь камеры не направили луч лазера и не увидели, что пыль возникает в результате самого процесса травления и попадает в плазму. При этом частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они приобретают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.

С тех пор учёные уделяют более пристальное внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Этот процесс называют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы — плазменными кристаллами.

Большинство опытов по исследованию пылевой плазмы проводится в земных лабораторных условиях. Уникальным исключением является эксперимент "Плазменный кристалл", уже много лет проводящийся на Международной космической станции. Автор концепции эксперимента — Грегор Морфилль, профессор Института внеземной физики Макса Планка.

Обычно в лаборатории плазменные кристаллы представляют собой группу частиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но на этот раз Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц с помощью компьютера. В результате такого эксперимента условия были, естественно, идеальными — безо всяких внешних воздействий, в том числе, и без гравитации.

Каково же было удивление Морфилля и его коллег, когда они увидели, что в результате компьютерного моделирования произошло не то, что бывает в реальных условиях! По итогам их опыта оказалось, что плазменная кристаллизация привела не к возникновению регулярно распределённых в пространстве гранул, а к формированию длинных цепочек из пылинок.

Интересно, что эти цепочки сами собой закручиваются в спирали. К тому же, они стабильны и способны к взаимодействию друг с другом. Это довольно-таки странно и, можно сказать, подозрительно, ведь, как заметили исследователи в статье, опубликованной в "Новом журнале физики" (New Journal of Physics), такие особенности обычно характерны для организации живой материи. В частности, для ДНК…

Эти компьютерные структуры, как оказалось, могут эволюционировать со временем, становясь устойчивее. Кроме того, спирали при определённых параметрах плазмы могут притягиваться друг к другу — несмотря на то, что их заряд одинаков. А ещё они способны создавать собственные копии.

Ещё интереснее то, что части спиралей могут пребывать в двух устойчивых состояниях с разными диаметрами. А так как на одной спирали может помещаться множество отрезков с разными сечениями, то они, очевидно, могут и передавать таким образом информацию.

Конечно, надо не забывать о том, что такие "ДНК" (их нельзя назвать молекулами, так как в их состав входят не атомы, а более крупные пылевые частички) не могут существовать сами по себе без плазмы. Тем не менее, не исключено, что в ходе дальнейших компьютерных экспериментов они могли бы эволюционировать в более сложные структуры.

Есть над чем задуматься. Ведь пылевая плазма возникает довольно часто в природе, и было бы довольно неожиданно обнаружить молекулы, сравнимые с ДНК, скажем, в каком-нибудь экстравагантном звёздном хвосте. Понятно, что компьютерные условия отличаются от естественных. Но всё же…

Но всё же непонятно, можно ли это назвать — хотя бы формально — жизнью? Что думают по этому поводу учёные, не участвовашие в работе Морфилля?

Кристофер Маккей, астробиолог из NASA, в этом сомневается. "Некоторые люди уверены в том, что жизнь — это самоорганизующаяся система, но то же можно сказать и об урагане, — сказал он. — Эти ребята сделали кое-что посложнее урагана и говорят, что это живой организм. Да, они говорят, что эти спирали могут хранить информацию, что является важной характеристикой жизни. Но их работа разочаровывает тем, что она чисто теоретическая".

Дэвид Грайер, физик из университета Нью-Йорка, высказался по этому поводу более осторожно и более научно: "Называть что-то живым или неживым практически бессмысленно, ибо не существует строгого математического определения жизни".

Похожего мнения придерживается и Сет Шостак, старший астроном из института SETI). "Дело в том, что мы не располагаем хорошим определением жизни", — так поясняет он ситуацию. Но он добавил, что если бы пришлось согласиться с тем, что эти компьютерные спирали в плазме можно назвать живыми, то это полностью перевернуло бы представления о жизни.

"Мы всегда полагали, что жизнь — это планетарный феномен, — сказал он. — Но если бы жизнь нашлась в горячих звёздных глубинах или в мезжвёздном газе, то вышло бы, что мы имеем дело не просто с незнакомой нам формой жизни, а, напротив, с самым распространённым во Вселенной её вариантом".

"Эти сложные самоорганизующиеся структуры в плазме имеют все свойства, необходимые для того, чтобы квалифицировать их как кандидатов на звание неорганической формы жизни", — утверждал участник этого исследования Вадим Цытович, учёный из Института общей физики.

Что имеете в виду вы, когда произносите это слово — жизнь?