ITMO-wetenschappers simuleren Melkwegdynamiek met behulp van gevangen ionen

Deskundigen van de ITMO Universiteit hebben een baanbrekende methode ontwikkeld. Deze methode maakt het mogelijk om met hoge precisie de beweging van sterren ten opzichte van het Galactisch centrum en de daaropvolgende transformaties van de Melkweg te modelleren. De kern van deze aanpak ligt in het gebruik van atomaire ionen die in een gespecialiseerde laboratoriumval worden vastgehouden. Dit verschuift de studie van puur wiskundige berekeningen naar een experimentele benadering van astrofysische processen, gebaseerd op het principe van analogie.

Semjon Roedoj, onderzoeker bij het Wetenschappelijk en Educatief Centrum voor Nanostructuren Fysica van ITMO, lichtte toe dat deze techniek het mogelijk maakt om een kosmisch systeem letterlijk 'in de palm van de hand' te reproduceren. Men kan zo astrofysische verschijnselen onderzoeken en zelfs beïnvloeden. De geladen deeltjes in de val dienen hierbij als analoog voor de sterren. Sterker nog, sterrenstelsels, net als andere grootschalige kosmische objecten, functioneren als complexe dynamische systemen. Kleine afwijkingen in de begincondities kunnen leiden tot onvoorspelbare resultaten op de lange termijn, wat de nauwkeurigheid van traditionele rekenmodellen beperkt.

Om voorspellingen over lange tijdsperioden te kunnen doen, maken astronomen traditioneel gebruik van vereenvoudigde wiskundige constructies. Een bekend voorbeeld hiervan is het Hénon-Heiles potentiaal, dat in 1964 werd geïntroduceerd door Michel Hénon en Carl Heiles. Het onderzoek van de ITMO-wetenschappers, gesteund door de Russische Wetenschapsstichting, heeft nu aangetoond dat de trajectoriën van atomaire ionen in een quadrupoolval zich analoog gedragen aan de banen van sterren binnen een galactisch potentiaal. De natuurkundigen ontdekten dat het klassieke astrofysische Hénon-Heiles potentiaal daadwerkelijk gerealiseerd kan worden binnen een systeem van atomaire ionen.

Om de vereiste elektrische veldconfiguratie in de val te creëren, worden elektroden gebruikt die zijn vervaardigd uit indiumtinoxide, aangebracht op glazen substraten. Dmitri Sjerbinin, senior onderzoeker bij hetzelfde centrum, benadrukte dat chaotische systemen, ondanks de verschillen in hun aard – of het nu gaat om macro- of microniveau – dezelfde fundamentele wetmatigheden volgen. Dit sterkt het argument dat er universele regulatoren bestaan voor diverse chaotische systemen die in staat zijn elkaar te repliceren.

In verwante vakgebieden, zoals kwantumcomputing met ionen, behaalden Russische wetenschappers van FIAN in december 2025 een recordnauwkeurigheid voor single-qubit operaties op een 70-qubit computer. Dit onderstreept hun hoge competentieniveau in het hanteren van ionensystemen. Terwijl buitenlandse onderzoekers, zoals Christopher Monroe, ion-gebaseerde kwantumsimulaties zien als een veelbelovend platform voor het modelleren van gecondenseerde materie systemen, richt de Russische ontwikkeling zich op het simuleren van macroscopische astrofysische modellen. Ze maken hierbij gebruik van dezelfde basisprincipes voor de besturing van geladen deeltjes.