Аттосекундная физика представляет собой область науки, изучающую процессы, происходящие на временных масштабах порядка 10-18–10-15 секунд. Эти временные интервалы соответствуют движению электронов внутри атомов и молекул, что делает возможным непосредственное наблюдение динамики электронных оболочек, и позволяет моделировать экстремальные астрофизические условия в лабораторных условиях. В лабораторной астрофизике аттосекундные методы используются для изучения процессов, характерных для звездных корон, межзвездной плазмы, релятивистских джетов и сверхновых взрывов.
Ключевым элементом аттосекундной физики является способность создавать ультракороткие световые импульсы с длительностью в аттосекунды. Основные методы генерации включают:
Высокочастотное гармоническое преобразование (HHG) При взаимодействии мощного инфракрасного лазерного поля с газом происходит многократное возбуждение и ионизация атомов, что приводит к испусканию гармоник фундаментальной частоты. Последующее фазовое управление гармониками позволяет синтезировать аттосекундные импульсы.
Синхротронное излучение и свободные электроны (FEL) Свободноэлектронные лазеры, работающие в рентгеновском диапазоне, создают короткие когерентные импульсы, способные разрешать динамику электронов в атомах тяжелых элементов.
Импульсные лазеры высокой интенсивности Позволяют создавать экстремальные поля, сопоставимые с полями вокруг нейтронных звезд, и наблюдать процессы ионизации и рекомбинации на временных масштабах аттосекунд.
Аттосекундная спектроскопия позволяет исследовать временную эволюцию электронных состояний. Основные методы включают:
Транзиентная фотоэлектронная спектроскопия (TRPES) Используется для наблюдения за ультрабыстрыми переходами электронов между энергетическими уровнями. В лабораторной астрофизике TRPES позволяет моделировать процессы фотоионизации в межзвездной среде и звездных атмосферах.
Двухимпульсная техника (Pump–Probe) Первый импульс инициирует процесс (например, ионизацию), второй импульс служит для измерения состояния системы через контролируемый временной интервал. Это позволяет восстановить динамику электронов с аттосекундной точностью.
Синхронизированная рентгеновская спектроскопия Позволяет наблюдать рекомбинацию и возбуждение глубоких электронных уровней, характерных для тяжелых атомов, имитируя условия в рентгеновских джетах и вокруг черных дыр.
Аттосекундные лазерные импульсы позволяют в лаборатории создавать экстремальные условия, приближенные к астрофизическим, включая:
Высокотемпературная плазма Импульсы высокой интенсивности создают плазму с температурами в миллионы Кельвинов, что позволяет изучать процессы, характерные для корональных звезд и сверхновых.
Сверхсильные магнитные поля Использование лазерных импульсов высокой мощности позволяет генерировать поля, сопоставимые с магнитными полями пульсаров и магнитаров. Это даёт возможность наблюдать квантовые эффекты в плазме, такие как синхротронное излучение и вакуумная поляризация.
Высокая плотность плазмы Лазерная ионизация плотных мишеней позволяет моделировать условия ядра звезд и исследовать коллективное поведение электронов и ионов в экстремальных условиях.
Взаимодействие ультракоротких импульсов с веществом в лабораторной астрофизике раскрывает фундаментальные процессы:
Мгновенная ионизация Электроны выбиваются из атомов в пределах аттосекунд, что имитирует фотоионизацию под действием звездного излучения.
Рекомбинация и излучение гармоник Электроны, возвращаясь к ионам, испускают высокоэнергетические фотоны. Этот процесс аналогичен формированию высокочастотного излучения в космических джетах.
Когерентное управление Фазовая манипуляция аттосекундных импульсов позволяет контролировать траектории электронов, моделируя процессы селективной химии и энергетической передачи в межзвездной среде.
Изучение корональных выбросов и солнечных вспышек Лабораторные эксперименты с аттосекундными импульсами позволяют наблюдать динамику плазмы и энергетические потоки, аналогичные солнечным вспышкам.
Рентгеновская астрофизика Синтез аттосекундных рентгеновских импульсов даёт возможность воспроизводить процессы, происходящие около черных дыр и нейтронных звезд.
Космическая химия Исследование ультрабыстрых процессов ионизации и рекомбинации позволяет понять формирование молекул и ионов в межзвездной среде.
Тестирование моделей экстремальной физики Лабораторные эксперименты с аттосекундными импульсами дают возможность проверять предсказания квантовой электродинамики в экстремальных условиях, приближенных к астрофизическим.