Главная » Статьи » Эксперименты на МКС помогли разобраться во взаимодействии пыли и плазмы

Эксперименты на МКС помогли разобраться во взаимодействии пыли и плазмы

S.Jaiswal et al. / Physics of Plasmas

Физики из России и Германии впервые показали, как электрическое поле влияет на форму колебаний плотности пыли, взвешенной в плазме. Для этого ученые воспользовались установкой Plasmakristall-4, находящейся на борту Международной космической станции. Статья опубликована в Physics of Plasmas.

В обычных условиях материя состоит из стабильных нейтральных атомов, в которых положительный электрический заряд ядра скомпенсирован отрицательным зарядом окружающих его электронов. Если же нагреть вещество до достаточно большой температуры, то есть разогнать его частицы до достаточно больших скоростей, электроны начнут отрываться от ядер, и атомы перестанут быть нейтральными. При этом в целом вещество останется квазинейтральным — суммарный заряд частиц в объеме, малом по сравнению с размерами системы, в среднем будет равен нулю. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма возникает во время вспышек молнии, в ионосфере планет и внутри звезд, а потом излучается в космическое пространство. По современным оценкам более 99,9 процентов барионного вещества Вселенной пребывает в состоянии плазмы.

Однако в чистом виде плазма встречается редко, зачастую на нее накладываются другие частицы — например, космическая пыль. В этом случае вещество ведет себя особенно интересно. В 1990 году немецкие физики Рао (Rao), Шукла (Shukla) и Юй (Yu) теоретически показали, что в смешанной системе плазма-пыль должны возникать акустические волны, которые отвечают колебаниям плотности пыли. В 1995 году это явление впервые было подтверждено экспериментально, и с тех пор волны наблюдались в широком диапазоне условий — для различных типов электрических разрядов и размеров частиц пыли, на Земле и в невесомости. Тем не менее, физика этого процесса пока еще остается не до конца понятной. В частности, ученым до сих пор ученым не удавалось подтвердить теоретические предсказания, что форма акустических волн определяется наведенным в плазме электрическим полем.

Группа исследователей при участии президента РАН Владимира Фортова впервые экспериментально показала, как изменение электрического поля влияет на форму волн колебаний плотности. Для этого ученые воспользовались установкой Plasmakristall-4 (PK-4), установленной на борту Международной космической станции и находящейся в условиях практически полной невесомости (ускорение на борту МКС порядка 10−3g). Плазма на этой установке создается внутри стеклянного цилиндра диаметром 3 сантиметра и длиной около 20 сантиметров. В качестве рабочего вещества использовался газообразный неон, разреженный до давления порядка 40 паскалей (4×10−4 атмосфер), а микрочастицы пыли представляют собой пластиковые шарики диаметром около трех микрометров и массой примерно 10−11 грамм. В одном кубическом сантиметре установки находилось примерно сто тысяч микрочастиц. В ходе эксперимента частицы подсвечивались зеленым лазером, а их положение отслеживалось с помощью двух видеокамер с частотой 70 в секунду.

Поставленный учеными эксперимент выглядел следующим образом. На первом шаге микрочастицы захватывались с помощью радиочастотного разряда и помещались в плазму. Затем через плазму пропускался разряд постоянного тока силой около 0,5 миллиампер, и одновременно выключался радиочастотный разряд. Наконец, на последнем шаге ученые меняли полярность постоянного тока, сохраняя его силу. Продолжительность второго этапа составляла примерно две секунды, третьего — восемь секунд. При обеих полярностях постоянного тока в пыли возникали акустические волны. Фазовая скорость волн в «голове» волны (в направлении, в котором дрейфуют частицы под действием электрического поля) примерно в два раза превышала фазовую скорость в «хвосте»; теоретические оценки показали, что изменение фазовой скорости можно полностью объяснить влиянием электрического поля, направленного вдоль оси цилиндра.

Интересно, что после смены полярности тока направление волн колебаний плотности не изменялось, хотя частицы начинали дрейфовать в противоположном направлении. Физики считают, что это связано с потоками собственно плазмы, которые компенсировали возникающие силы. Кроме того, после смены полярности в «голове» волны возникали новые гребни — дополнительные области с повышенной плотностью микрочастиц. Тем не менее, спустя 1,5–2 секунды новые гребни сливались со старыми. Хотя ученые не смогли объяснить возникновение гребней, скорость их роста совпала с теоретическими оценками.

Авторы статьи считают, что их работа не только поможет лучше понять процессы, происходящие в смеси пыли и плазмы, но и найдет практическое применение. Например, с помощью взвешенных в плазме микрочастиц можно моделировать явления из физики конденсированного состояния, однако волны колебаний плотности пыли мешают увидеть в них нужные эффекты. Может быть, исследование ученых поможет избавиться от таких колебаний.

В мае 2017 года американские исследователи обнаружили, что при столкновении частиц космической пыли со спутниками может возникать радиоизлучение, которое мешает работе приборов. А в июле 2018 года физики из США и России численно смоделировали эволюцию межзвездной пыли под действием магнитных полей, рассчитали поляризацию ее излучения и показали, что это излучение практически полностью «заглушает» предполагаемые следы реликтовых гравитационных волн.

Прочитать, как физика плазмы объясняет существование бластеров и световых мечей из серии кинофильмов «Звездные войны», можно в колонке специалиста по физике плазмы Мартина Арчера.

Дмитрий Трунин