Предложен метод моделирования галактик в лаборатории с помощью ионов

Ученые выяснили, как создать модель галактики в лаборатории. Они предложили воспроизводить ее динамику с помощью другой физической системы — атомарных ионов в ловушке. В отличие от используемых астрофизических моделей, которые дают приближенные результаты, такой подход позволяет проводить экспериментальные исследования в лаборатории и предлагает более точный ответ, почему и как меняется движение звезд относительно центра галактики и как она может трансформироваться. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале International Journal of Bifurcation and Chaos.

Космос — сложная динамическая нелинейная система. Это значит, что мельчайшие изменения в начальных условиях приводят к непредсказуемым результатам. Поэтому прогнозировать астрономические события в масштабе Вселенной, так же как и погоду, возможно лишь на короткий срок. Для этого ученые используют разные математические модели. Одна из них — потенциал Хенона-Хейлеса. Он позволяет изучить динамику движения звезд вокруг центра галактики численным и аналитическим методом, то есть не только рассчитать, при каких условиях периодическое движение звезды станет хаотическим, но и понять, почему это произойдет. Однако методы математического моделирования в физике всегда основаны на использовании допущений, благодаря которым математическое описание в принципе становится возможным. Такие допущения неизбежно приводят к потере информации об исследуемой системе, а провести эксперимент на реальных космических объектах и проверить выводы исследования — не осуществимо.

Исследователи международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО выяснили, что классический астрофизический потенциал Хенона-Хейлеса можно реализовать и при движении атомарных ионов в специально разработанных ловушках. Так ионы могут сыграть роль звезд в астрофизических экспериментах прямо в лаборатории.

«Потенциал Хенона-Хейлеса позволяет получить систему дифференциальных уравнений, анализ которой хорошо объясняет, почему, при каких условиях и каким образом характер движения космообъектов меняется с периодического на хаотический. Но математическая модель дает лишь приближенный ответ. Благодаря нашей работе мы сможем смоделировать одну физическую систему через другую, то есть моделировать Вселенную, исследовать астрофизические процессы и влиять на них, принимая космообъекты за ионы, нано- и микрочастицы в ловушке. Так мы сможем воссоздать более-менее реальную космическую систему “на ладони” и получить ответ, почему и как меняется движение звезд относительно центра галактики и как она может трансформироваться», — отметил один из авторов исследования, заведующий лабораторией в международном научно-образовательном центре физики наноструктур ИТМО Семен Рудый.

Чтобы моделировать астрономические события в лаборатории, ученые спроектируют новый тип ловушки для частиц. В ее основе — две стеклянные подложки с нанесенными электродами из оксида индия-олова. Такая конструкция позволит создать желаемое распределение электрического поля, чтобы наблюдать и анализировать движение ионов с помощью оптических методов.

«Открытая нами возможность использовать потенциал Хенона-Хейлеса из астрофизики для задач нелинейной динамики наночастиц стала приятным сюрпризом. Обычно физические законы, работающие в макромире, не относятся к микромиру и наоборот, потому что атомарные ионы могут вести себя как квантовые объекты. В этом исследовании мы не выходили за рамки классической физики, поэтому можно утверждать, что кажущиеся совершенно разными по природе хаотические системы подчиняются одним и тем же закономерностям и могут воспроизводить друг друга», — объяснил руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Дмитрий Щербинин.