Вселенную уместили на столе: странный лабораторный эксперимент меняет представление о галактиках

Ученые предложили необычный способ заглянуть вглубь галактик, не покидая стен лаборатории. Вместо телескопов и компьютерных симуляций они используют управляемые ионы, способные воспроизводить движение звезд. Такой подход обещает более точное понимание того, как меняется динамика галактик и откуда берется хаос в их структуре. Об этом сообщает Indicator.

Галактика как лабораторный эксперимент

Современная астрофизика сталкивается с фундаментальным ограничением: Вселенная слишком сложна для точных прогнозов на длительных промежутках времени. Космические системы относятся к нелинейным, а значит, малейшие изменения начальных условий могут полностью изменить результат. Поэтому ученые вынуждены опираться на математические модели, которые неизбежно упрощают реальность. Один из таких инструментов — потенциал Хенона-Хейлеса, давно применяемый для анализа движения звезд вокруг галактического центра.

Подобные подходы используются и при изучении масштабных структур, включая эволюцию галактик, где движение вещества и распределение массы подчиняются сложным динамическим закономерностям. Однако даже самые продвинутые вычисления остаются теоретическими: проверить выводы напрямую на реальных галактиках невозможно. Именно этот разрыв между расчетами и экспериментом исследователи ИТМО предложили сократить.

Ионы вместо звезд

Команда международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО показала, что потенциал Хенона-Хейлеса можно реализовать в системе атомарных ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке. В такой установке ионы начинают вести себя аналогично звездам, двигающимся в гравитационном поле галактики. Это открывает путь к экспериментальному изучению астрофизических процессов в контролируемых условиях.

"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", — отметил заведующий лабораторией международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Семен Рудый.

Новая ловушка для старых вопросов

Для реализации идеи ученые разрабатывают специальную ловушку для частиц. Она состоит из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами из оксида индия-олова. Такая конфигурация позволяет формировать сложное электрическое поле и точно отслеживать траектории ионов оптическими методами. В результате исследователи получают не абстрактную модель, а физическую систему, поведение которой можно измерять напрямую и сопоставлять с наблюдениями в реальных галактиках, включая процессы, происходящие рядом с центром Млечного Пути.

"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 старший научный сотрудник лаборатории "Нелинейная оптика конденсированных сред" ИТМО Дмитрий Щербинин.

Подход, предложенный исследователями, расширяет возможности нелинейной динамики и астрофизики, позволяя изучать эволюцию галактик без космических миссий и гигантских телескопов. Лабораторные аналоги дают шанс глубже понять механизмы хаоса и трансформации звездных систем, опираясь не только на расчеты, но и на эксперимент.