Лаборатория моделирования плазменных явлений в экстремальных астрофизических объектах

Научные результаты:

Основные результаты, полученные в лаборатории, относятся к взаимодействию мощного лазерного излучения с веществом. В распоряжении лаборатории имеется самый мощный в России лазер PEARL (до 30 Дж, 910 нм, 10-50 фс), полностью оборудованный для проведения лазерно-плазменных экспериментов. Благодаря этому, в лаборатории проводятся экспериментальные исследования мирового уровня по лазерному ускорению заряженных частиц и созданию на этой основе инновационных источников ТГЦ, рентгеновского, гамма-излучения, нейтронов и пр., обладающих высокой пиковой яркостью и отличающихся компактностью, дешевизной и эффективностью. 
Прикладная значимость исследований связана с разработкой новых принципов для создания компактных и ярких источников для:

• фазоконтрастной рентгеновской микроскопии (диагностика биологических и других видов материалов);

• задач проекционной литографии;

• ядерных исследованиях и задачах нейтронной томографии, в том числе быстропротекающих процессов и пр.

В лаборатории получены следующие результаты мирового уровня:

1. Ускорение пучков электронов в поле кильватерной плазменной волны до энергий порядка 1000 МэВ.
2. Ускорение протонов до энергии более 43,3 МэВ при фокусировке 200 ТВт лазерного импульса на поверхность тонкой алюминиевой мишени, что в течение долгое времени являлось мировым рекордом для лазерных импульсов с энергией менее 20 Дж.
3. Совместно с зарубежными коллабораторами авторы проекта принимали участие в разработке яркого лазерно-плазменного источника нейтронов предельно короткой длительности, а также в демонстрации предельных характеристик TNSA ускорения протонов пикосекундными лазерами и ускорения протонов ударной волной в сверхкритических газовых мишенях.
4. Создан экспериментальный стенд для проведения экспериментов по воздействию на биообъекты высокоэнергичными лазерно-плазменными протонами. Продемонстрирована способность лазерно-плазменных протонов сообщать объекту исследования дозы до десяти Грэй за единственный выстрел.
5. Разработана методика облучения клеточной культуры HeLa Kyoto и измерения доли выживших клеток.
6. Разработаны методы моделирования процессов образования молодых звезд в лабораторных условиях, что позволяет дополнить астрофизические наблюдения лабораторными измерениями и получить новые данные о физических процессах в молодых звездах.
7. Предложен новый экспериментальный подход, позволяющий исследовать в лабораторных условиях взаимодействие сверхзвуковых (ионное число Маха до 2.7) плазменных потоков высокой плотности (концентрация до 10¹⁵ cm⁻³) с неоднородным магнитным полем.
8. Предложена модель бесстолкновительных релятивистских ударных волн, позволяющая самосогласованным образом описывать ускорение частиц, их излучение, а также генерацию и затухание магнитного поля. Область применимости модели включает гамма-всплески и активные ядра галактик.
9. Проведены экспериментальные и численные исследования процессов взаимодействия высокоскоростных потоков плотной плазмы с твердотельной мишенью во внешнем магнитном поле с целью моделирования физических процессов, развивающихся в основании аккреционных колонок при магнитосферной аккреции вещества на молодые звезды.
10. Исследованы механизмы формирования коллимированных плазменных структур вследствие самоканалирования излучения в самоподдерживающихся плазменных волноводах с пониженной плотностью плазмы. Показано, что возможен режим самоканалированного распространения ленгмюровских волн в подобных плазменных волноводах, что может служить основой для построения новых моделей астрофизических джетов.
11. Проведено лабораторное исследование процессов взаимодействия плотных плазменных потоков с поперечным внешним магнитным полем. Основные астрофизические задачи, связанные с подобным взаимодействием, – аккреция вещества на компактные звезды, обладающие собственным магнитным полем, и вспышечные процессы на Солнце и звездах. Основное внимание уделялось процессам, развивающимся в области, где давление магнитного поля порядка газодинамического давления плазменного потока. С помощью двух интерферометров получены мгновенные двумерные картины пространственного распределения плазмы на временах от 0 до 100 нс после начала формирования плазменного облака в двух плоскостях: перпендикулярно и параллельно направлению силовых линий магнитного поля. Показано, что в результате взаимодействия плазменного потока с внешним магнитным полем, направленным перпендикулярно направлению скорости разлета плазмы, формируется узкий плазменный слой, распространяющийся на значительные расстояния вглубь объема, занятого магнитным полем (тонкий плазменный слой проникает между силовыми линиями магнитного поля). Этот результат, подтвержденный также численным моделированием, ставит под сомнение общепринятую в астрофизике модель падения вещества с аккреционного диска на звезду вдоль линий магнитного поля (т. е. падения на магнитные полюса) и позволяет предложить альтернативную модель падения вещества на экватор.

Внедрение результатов исследования:

• Разработана оригинальная импульсная магнитная система с охлаждением жидким азотом с максимальной индукцией магнитного поля до 20Т. Система используется для проведения широкого спектра исследований в области лазерно-плазменного взаимодействия и лабораторной астрофизики.
• Разработана технология многократного увеличения пиковой интенсивности сфокусированного сверхмощного фемтосекундного лазерного излучения основанная на нелинейной посткомпрессии лазерного импульса с последующей компенсацией возникающих нелинейных искажений волнового фронта с помощью деформируемого зеркала.

Образование и переподготовка кадров:

• Организованы стажировки для молодых ученых и студентов в международных организациях: Ecole Polytechnique (Франция), LLNL (США), GSI (Германия), CNRS (Франция).

• Защиты: 1 докторская диссертация, 2 кандидатские диссертации.

• Внедрен спецкурс для магистров и аспирантов по направлению подготовки 011800 «Радиофизика».

• Внедрен спецкурс «Мощные лазерные системы».

Другие результаты:

• Установление научных связей в области лабораторной астрофизики как между российскими институтами, так и на международном уровне.
  

• Проведение тематической международной конференции LaB-2017.

• Создание в Российской Федерации междисциплинарного лазерно-плазменного экспериментального комплекса PEARL петаваттного уровня мощности, позволяющего реализовывать уникальные экспериментальные параметры с использованием нескольких типов лазерного излучения и системой создания сильного внешнего магнитного поля.

• Проведение школ для молодых ученых по вопросам взаимодействия сверхсильного лазерного излучения с веществом (2021-2022).