[Перевод] Новая эра астрономии: гигантские лазеры
Пожалейте астрономов. Биолог может подержать образцы жизни в руках. Геолог — наполнить шкаф камнями. Даже физик может прозондировать субатомные частицы в лаборатории, построенной на Земле. Но на всём протяжении тысячелетней истории астрономии эта наука была отделена от предметов изучения. Ни один астроном ещё не стоял на берегах экзопланеты, вращающейся вокруг далёкой звезды, и не рассматривал межзвёздную туманность вблизи. У астрономов никогда не было близкого доступа к объектам, вызывающим у них интерес, кроме как несколько пойманных телескопами световых волн, пересёкших великую пустоту,
До недавнего времени. Но в начале XXI века астрофизики открыли для себя новую, неожиданную эру: крупномасштабные лабораторные эксперименты. Приборы, оперирующие высокими энергиями — в частности, крупные лазеры — позволяют воссоздать космические условия, позволяя астрономам, и мне в том числе, изучать самые необычные условия в контролируемой обстановке. Исследователи научились взрывать сверхновые в лабораториях, воспроизводить условия, окружающие новорожденные звёзды и даже зондировать ядра массивных и потенциально обитаемых экзопланет.
То, как мы дошли до жизни такой — одна из величайших историй науки и синергии. Появление масштабной лабораторной астрофизики стало неожиданным побочным эффектом более отчаянного, обширного и популярного нынче научного путешествия в поисках контролируемого ядерного синтеза. Работая над способом укрощения энергии звёзд, мы заодно нашли способ спустить звёзды на Землю.
В декабре 2022 учёные из Ливерморской национальной лаборатории под звуки фанфар объявили о преодолении важнейшей вехи в области термоядерного синтеза. Впервые в эксперименте с синтезом из него вышло больше энергии, чем на него было потрачено. И хотя до постройки полноценного функционального термоядерного генератора электричества нам ещё осталось, вероятно, несколько десятилетий, эксперимент и правда стал научным прорывом, продвинув нас на шаг ближе к чистой и бесконечной по сути энергии, получаемой в самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза. Для достижения такого результата исследователи положились на лазеры, воссоздающие условия, где в природе уже происходят термоядерные реакции — ядра звезды. Они сконцентрировали лучи лазеров на крохотных шариках, содержащих водород, повторяя чрезвычайно высокую температуру и плотность ядра, с тем, чтобы вызвать синтез гелия из водорода.
Звёзды так легко не раскрывают свои секреты. Все эти лазеры занимают место размером с завод и требуют гигантской энергии на запуск. Именно в процессе постройки этих многоэтажных световых конструкций учёные поняли, что они заодно случайно строят невиданный доселе инструмент для изучения небес. Появившаяся вокруг этих лазеров новая область исследований, лабораторная астрофизика высоких энергий и плотностей (High Energy Density Laboratory Astrophysics, HEDLA), дала астрономам совершенно новые способы работы в их стезе.
По-настоящему работа над проектом началась в начале 2000-х, с исследования одного из самых энергетически насыщенных событий, случающихся в космосе: взрыва сверхновой, которым оканчивается жизнь массивных звёзд. Такой взрыв начинается с мощной взрывной волны, появляющейся в ядре звезды и распространяющейся наружу, срывающей её внешние покровы и сбрасывающей их в космос. Сформировавшиеся в глубинах звезды тяжёлые элементы являются ключом к тому, что где-то рано или поздно появится жизнь — поэтому астрономов давно интересовал вопрос, смешивает ли взрыв сверхновой тяжёлые элементы, появившиеся в ядре, с лёгкими, находящимися на её поверхности, после чего они вместе могут разбрасываться по космосу. Специалисты по термоядерной плазме совместно с астрономами воссоздали слои звезды в миниатюре при помощи пластика и менее плотного пористого материала. Затем одни выстрелили в эти сэндвичи/мини-звёзды большими лазерами для ядерного синтеза. Мощные взрывные волны, сформировавшиеся внутри мишени, разнесли её на части, как мокрый картон. Оказалось, что смешивание слоёв происходит на самом деле. Эксперименты подтвердили большую часть представлений астрономов о круговороте элементов по галактике.
Для астрономов это стало потрясающе интересным направлением. Они теперь могли не только возиться со звездой в лаборатории, но и делать это снова и снова. Подправляя ту или иную переменную, они могли проводить на поверхности Земли эксперименты, проверять гипотезы и смотреть, как результаты появляются прямо у них на глазах. Вскоре они разработали экспериментальные платформы для изучения широкого спектра астрономических условий, включая закручивающиеся диски газа, сопутствующие процессу формирования звёзд, и столкновения гигантских межзвёздных облаков. У HEDLA есть свои ограничения — не все астрофизические явления можно изучать в лаборатории. К примеру, сильные гравитационные эффекты воспроизвести не получится: они требуют массы, сравнимой со звёздной, а такое финансирование ни одно агентство не выдаст. Поэтому астрофизикам нужно было исхитриться так, чтобы найти, где вопросы, на которые они хотят получить ответы, пересекаются с экстремальными условиями, которые можно создавать внутри гигантских машин синтеза.
И самая интересная часть диаграммы Венна для HEDLA связана с поисками далёких миров, на которых могла бы появиться инопланетная жизнь. В последние десятилетия произошла «экзопланетная революция», показавшая, что почти у каждой звезды на небе есть своё семейство планет. А поскольку жизни для появления почти наверняка нужна планета, понимание разных условий на всех этих чужих планетах получило в списке дел астрономов наивысший приоритет. Пока что многие открытые нами экзопланеты оказались довольно экзотическими, не похожими на те восемь миров, что вращаются вокруг нашего Солнца. В особенности это т.н. суперземли, весящие от 2 до 10 раз больше нашей планеты. В нашей Солнечной системе подобных планет нет, и при этом они представляют собой один из самых распространённых видов миров во Вселенной. Что ж это за планеты такие — суперземли? Стоит ли прозондировать это обилие распространённых миров на предмет иной жизни?
Условия на поверхности планеты, где должна формироваться жизнь, сильно зависят от происходящего в её недрах. На глубине в тысячи километров давление оказывается таким большим, что камни сжимаются до текучего, как асфальт в жару, состояния, а железо превращается в жидкость. При определённых условиях закручивание этого расплавленного супа порождает защитное магнитное поле планеты, поддерживающее жизнь на ней. Тут-то и приходят на помощь мощные лазеры HEDLA: они оказываются уникальным и идеальным инструментом для изучения высоких давлений внутри планет. Сжимая лазерными лучами образцы камня и металла до давления, встречающегося на большой глубине, исследователи могут изучать поведение этих образцов, их сопротивляемость текучести (что важно для изучения тектоники плит), и их способность проводить электричество (что важно для генерации магнитного поля).
Это входит и в мою область деятельности. Мы с коллегами проводим исследования в рамках многолетнего проекта, финансируемого Национальным научным фондом США, в котором участвует множество институтов. Цель проекта — превратить HEDLA в главный инструмент изучения планетарных условий, в частности тех, что встречаются на суперземлях. В одном из недавних экспериментов в рамках этой инициативы был использован папа всех гигантских лазеров, огромный аппарат из Ливерморской национальной лаборатории, выдающий 192 лазерных луча — тот самый, на котором произошёл прорыв в области термояда. Исследователи хотели знать, как поведёт себя железо в условиях давления в глубине суперземли, поскольку вихри жидкого железа в ядрах планет необходимы для создания магнитных полей. Остаётся ли железо жидким внутри суперземли, или «замерзает» со временем, превращаясь в кристаллическую решётку и уничтожая все шансы на магнитное поле? Доведя давление на железо до значений, в 10 млн раз превышающих атмосферное давление на поверхности Земли, исследователи увидели, в какой конкретно момент железо перешло из жидкого в твёрдое состояние. На основании полученных данных команда обнаружила, что суперземли могут сохранять свои ядра в жидком виде достаточно долго для того, чтобы магнитные поля охраняли планеты в течение миллиардов лет. Если эти результаты подтвердятся на практике, то на этих больших планетах будут существовать условия не только для появления, но и для эволюции и процветания жизни.
Подобные эксперименты демонстрируют, как новая область лабораторной астрофизики может развиться так сильно всего за пару десятилетий. Это история конвергенции и взросления. Почти сто лет назад астрофизики открыли физику термоядерных реакций, происходящих в звёздах. Их попытки были нацелены не только на снабжение энергией людских поселений, но и на поиски ответа на древний космический вопрос: почему звёзды сияют? И только после разработки ядерного оружия во время Холодной войны некоторые учёные начали исследовать возможности мирного применения энергии термояда. Сейчас, сделав ещё один шажок к изобильной и чистой энергии, мы сократили расстояние между энергией звёзд и космосом в целом. Вселенная стала ещё ближе и доступнее нам. И получая малую толику её возможностей в наших лабораториях, мы всегда вспоминаем о том, насколько она всегда была громадной и величественной.
