Учёные впервые достигли стабильного состояния турбулентной плазмы в симуляциях

Распределение электрических токов в стационарной турбулентности. Автор: PRL (2025), DOI: 10.1103/3777-z37m

Исследователи из Лёвенского католического университета и Королевского бельгийского института космической астрономии впервые добились наблюдения истинного стационарного состояния в симуляции турбулентной плазмы. Результаты их работы, основанные на трёхмерных частично-ячеечных моделях, опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Плазма, состояние материи, возникающее при сильном нагреве газа, является ключевым объектом изучения в астрофизике, так как она, как предполагается, окружает такие космологические объекты, как пульсары и чёрные дыры. Среда вокруг этих объектов крайне турбулентна, что хаотически влияет на движение и ускорение частиц.

До сих пор численное моделирование такой турбулентности сталкивалось с проблемой: система не достигала стабильного состояния, при котором её свойства перестают меняться со временем, как в реальных космических системах. Вместо этого вводимая энергия бесконечно ускоряла частицы, разогревая плазму.

Эволюция турбулентности от начальных условий до истинного стационарного состояния. Автор: PRL (2025), DOI: 10.1103/3777-z37m

Команда под руководством Евгения Горбунова нашла решение, позволив наиболее энергичным частицам «покидать» область симуляции. Как объяснил учёный:

Мы ввели дополнительный элемент в стандартную установку. Если частица удаляется на заданное расстояние, мы считаем, что она покинула космический ускоритель. Она мгновенно заменяется «свежей» частицей с энергией, взятой из теплового резервуара.

Этот подход, имитирующий связь турбулентности с резервуаром тепловых частиц, впервые позволил достичь состояния, где диссипация энергии уравновешивает её ввод. Система стабилизировалась, а ускорение частиц стало ограниченным.

Данное достижение открывает новые возможности для моделирования физических процессов в окрестностях чёрных дыр и изучения происхождения высокоэнергетических космических лучей. Метод может коренным образом изменить подход к исследованию турбулентности в астрофизике.

Больше информации: Evgeny A. Gorbunov et al, Leaking Outside the Box: Kinetic Turbulence with Cosmic-Ray Escape, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/3777-z37m