Лабораторное моделирование кинетических и гидродинамических механизмов формирования мелкомасштабных структур в астрофизической и геофизической плазме

Проект посвящен экспериментальному и теоретическому анализу процессов разлёта неравновесной плазмы и формирования в ней крупно- и мелкомасштабных структур. Будет исследовано структурирование потоков и плотности плазмы, электрических токов и связанных с ними магнитных и электрических полей. Оно свойственно широкому кругу задач астрофизики и магнитосферной физики и сопровождает различные переходные явления в космической и околоземной плазме соответственно. Подобные явления обусловлены кинетическими и гидродинамическими неустойчивостями плазмы и зависят от геометрии и пространственно-временных параметров создаваемых потоков. Их лабораторное моделирование, ставшее доступным в последнее время благодаря использованию лазерной плазмы, открывает новые междисциплинарные возможности фундаментальных и прикладных исследований в областях физики, астрофизики и геофизики. В проекте предлагается осуществить такое моделирование с целью изучения кинетических и гидродинамических механизмов возникновения структур, особенно мелкомасштабных, в плазменных конфигурациях, типичных для лазерной (физика), космической (астрофизика) и магнитосферно-ионосферной (геофизика) плазмы. Будет исследовано: 1) формирование ансамбля филаментов тока, ориентированных перпендикулярно поверхности мишени, подверженной абляции мощным фемтосекундным лазерным импульсом, в том числе в присутствии внешнего магнитного поля различной ориентации; 2) создание ударных волн со структурированным фронтом на переходной стадии формирования в сталкивающихся встречных потоках лазерной плазмы, также в присутствии внешнего магнитного поля; 3) создание сферических облаков разогретой плазмы, расширяющихся в фоновую плазму при наличии внешнего магнитного поля и испытывающих разномасштабную деформацию; 4) осуществление распространения поперек внешнего магнитного поля сгустков плазмы и плазменных джетов в замагниченной фоновой плазме, с регистрацией их деформации и структурирования. При этом будут использованы наиболее мощные в России фемто- и наносекундные лазеры, разогревающие, соответственно, либо только электроны, либо и электроны и ионы вместе. Поставленные задачи экспериментального и численного моделирования плазменных структур являются не только новыми, но и междисциплинарными, что позволяет специалистам из разных научных областей обмениваться имеющимися у них взаимодополняющими наработками и методами, а следовательно, эффективнее решать данные задачи фундаментальной физики плазмы и применять полученное решение сразу в нескольких научных направлениях - лабораторном, астрофизическом и геофизическом. Ожидаемые результаты проекта будут полезными в целой серии соответствующих приложений, начиная от проблем создания структурированной сильно неравновесной плазмы и кончая применением разработанных моделей для прогноза так называемой космической погоды в околоземном пространстве и для надлежащего выбора параметров и условий осуществления тех или иных локализованных высокоэнергетических процессов взрывного типа в ближнем космосе. Получаемые результаты будут использованы для корректной интерпретации наблюдаемых явлений в ближнем и дальнем космосе с масштабами много тысяч километров. Для этого в проекте предусмотрены также численное моделирование и теоретический анализ аналогичных лазерной плазме явлений, происходящих в таких астрофизических объектах, как а) ударные волны при взрывах сверхновых и столкновении звёздных ветров в системах с двумя массивными звёздами или в OB ассоциациях, б) аккреционные диски вокруг нейтронных звёзд и замагниченных белых карликов и взрывные образования вблизи поверхности магнитаров, в) филаменты высокотемпературной плазмы с сильным магнитным полем в пульсарных туманностях и аккреционные колонки вблизи полюсов аккрецирующих нейтронных звёзд и белых карликов. Результаты проведенных исследований планируется опубликовать в ведущих международных и российских журналах и представить на ведущих научных конференциях.