ITMO大学の研究者、捕獲イオンを用いて銀河のダイナミクスをシミュレーション

ITMO大学の専門家チームが、銀河中心に対する恒星の運動や、それに続く天の川銀河の変遷を高精度でモデル化する新しい手法を開発しました。このアプローチの核心は、特殊な実験室のトラップ内に保持された原子イオンを利用することにあります。これにより、純粋な数学的計算から脱却し、相似の原理に基づいた実験的な天体物理学プロセスの研究へと移行することが可能になりました。

ITMO大学ナノ構造物理学科学教育センターの研究員であるセミョーン・ルードイ氏は、この手法が宇宙システムを「手のひら」の上で再現し、天体物理学的な現象を調査し、さらには影響を与えることさえ可能にすると説明しています。トラップ内の荷電粒子が恒星のアナロジーとして機能するのです。銀河は他の巨大な宇宙天体と同様に、複雑な動的システムを構成しています。初期条件におけるわずかな変動が、長期的に予測不可能な結果をもたらす可能性があり、これが従来の計算モデルの精度を制限する要因となっていました。

長期間にわたる予測を行うため、天文学者は伝統的に、1964年にミシェル・ヘノンとカール・ヘイルズによって提唱されたヘノン・ヘイルズポテンシャルといった単純化された数学的構造を利用してきました。ロシア科学財団からの支援を受けたITMO大学の研究は、四重極トラップ内の原子イオンの軌道が、銀河ポテンシャル内の恒星の軌道と類似した振る舞いを示すことを実証しました。物理学者たちは、古典的な天体物理学のヘノン・ヘイルズポテンシャルが原子イオンの系内で実現可能であることを発見したのです。

トラップ内に必要な電場構成を作り出すために、ガラス基板上にインジウムスズ酸化物（ITO）を用いて作製された電極が使用されています。同センターの上級研究員であるドミトリー・シェルビニン氏は、その性質が異なっていようとも（巨視的レベルと微視的レベル）、カオス的システムは共通の法則に従うという点に注目しました。これは、互いに再現し合う能力を持つ様々なカオスシステムに対する統一的な制御則が存在することを示唆しています。

関連分野、例えばイオンを用いた量子計算においては、ロシアのFIAN（ロシア科学アカデミー物理学研究所）の研究者たちが、2025年12月に70量子ビットコンピューター上での単一量子ビット操作において記録的な精度を達成しており、イオン系を扱う高い専門性が裏付けられています。一方、クリストファー・モンローのような海外の研究者は、イオンを用いた量子シミュレーションを凝縮系モデリングのための有望なプラットフォームとして捉えていますが、ロシアの開発は、荷電粒子の制御に関する同じ基本原理を利用しつつ、巨視的な天体物理モデルに焦点を当てている点が特徴的です。