Высокоэнергетические рентгеновские вспышки из низкоэнергетической плазмы. Быстро ускоряющаяся неустойчивость перегиба (форма арки) плазменной струи создает эффективную гравитацию, которая вызывает «рябь» (видимую на дне арки). Рябь душит струю, и в это время наблюдается взрыв рентгеновских лучей по 6 киловольт. Весь процесс длится несколько микросекунд, а рентгеновский снимок длится примерно одну микросекунду. Фото: Райан Маршалл и Пол Беллан

Солнечные вспышки не должны производить рентгеновское излучение, но они делают. Зачем? Единый подход ко всем электронным столкновениям пропускает немногие счастливчики, которые приводят к интенсивному рентгеновскому взрыву. Ученые полагали, что в такой холодной плазме слишком много столкновений с рассеянием электронов, чтобы электроны могли ускоряться до высоких энергий и излучать рентгеновские лучи. Хотя большинство электронов в холодной плазме сталкиваются до того, как они могут ускориться, вполне возможно, что некоторые из них не сталкиваются. Эти частицы похожи на воинов, которые переживают череду смертельных сражений, но выживают при каждом столкновении и приобретают опыт, чтобы иметь больше шансов на выживание в следующем.

В течение долгого времени ученые наблюдали рентгеновские лучи и энергетические частицы на солнечных вспышках и в других ситуациях, когда плазма должна быть слишком столкновительной для возникновения этих явлений. Рентгеновские лучи могут также возникать в молнии и некоторых устройствах термоядерной энергии. Астрофизические струи могут создавать пучки частиц высоких энергий (гамма-лучи). Открытие команды показывает, что ученым необходимо учитывать подробную статистику столкновений. Подход «один размер подходит всем» пропускает несколько удачных электронов, которые не сталкиваются и не ускоряются для достижения большой кинетической энергии.

Ученые наблюдали взрыв рентгеновских лучей от лабораторной плазменной струи. Этот взрыв был неожиданным, потому что плазменная струя была относительно холодной и, следовательно, очень столкновительной. Простой способ представить себе холодную столкновительную плазму – слишком сильное трение, чтобы электроны могли ускоряться до высоких энергий и излучать рентгеновские лучи, потому что трение соответствует столкновениям, которые рассеивают электроны. Хотя подавляющее большинство электронов в холодной плазме сталкиваются, прежде чем они смогут разогнаться до высокой энергии, возможно, что немногие счастливчики этого не сделают. Столкновения количественно оцениваются по средней длине свободного пробега, то есть расстоянию, на котором частица имеет шанс на две трети столкновения и, таким образом, потери всего своего направленного импульса. Таким образом, статистика подразумевает, что у частицы есть треть вероятности не столкнуться при прохождении среднего свободного пути. Столкновения статистические, так что всегда есть вероятность не столкнуться. Те немногие электроны, которые изначально не сталкиваются, становятся менее вероятными, чтобы столкнуться снова, поэтому небольшая когорта ускоряется до очень высокой энергии. Неколлизирующая частица будет ускоряться электрическим полем, если оно присутствует, и, таким образом, будет достигать более направленной кинетической энергии после прохождения среднего свободного пробега. Поскольку средняя длина свободного пробега увеличивается по мере того, как энергия возводится в квадрат, энергия, полученная на следующем среднем свободном пути, будет больше для одной трети частиц, которые не сталкиваются. Через некоторое время появляется крошечная группа энергичных частиц, которые никогда не сталкивались и из-за своей высокой энергии могут излучать рентгеновские лучи. Эти частицы похожи на солдат, которые выдерживают череду смертельных сражений, но к счастью, выживают в каждой и получают опыт, чтобы иметь больше шансов на выживание в следующей схватке.

Рентгеновские вспышки коррелируют с тем, что диаметр плазменной струи задыхается от пульсаций, подобно тем, которые возникают на границе раздела, разделяющей тяжелую жидкость поверх более легкой жидкости. Рябь душит электрический ток струи, создавая электрическое поле, ускоряющее электроны. Это сродни тому, как положить большой палец на садовый шланг, чтобы задушить поток воды и сделать большой перепад давления, который ускоряет небольшое количество воды до высокой скорости, чтобы сделать спрей. Открытие командой того, как эти микросекундные формы рентгеновских вспышек показывают подробную статистику столкновений, важно при работе с холодной плазмой.

По материалам phys.org