Naukowcy z ITMO modelują dynamikę galaktyk za pomocą uwięzionych jonów

Specjaliści z Uniwersytetu ITMO opracowali innowacyjną metodę, która umożliwia precyzyjne modelowanie ruchu gwiazd względem centrum Drogi Mlecznej, a także późniejszych transformacji naszej galaktyki. Kluczowym elementem tego podejścia jest wykorzystanie jonów atomowych, które są utrzymywane w specjalnie zaprojektowanej pułapce laboratoryjnej. Dzięki temu możliwe jest przejście od czysto matematycznych obliczeń do eksperymentalnego badania procesów astrofizycznych, bazując na zasadzie podobieństwa.

Semen Rudoj, pracownik naukowy Centrum Naukowo-Edukacyjnego Fizyki Nanostruktur ITMO, wyjaśnił, że ta technika pozwala na odtworzenie kosmicznego systemu dosłownie „na dłoni”. Umożliwia to badanie zjawisk astrofizycznych, a nawet wpływanie na nie, traktując naładowane cząstki w pułapce jako analogi gwiazd. Galaktyki, podobnie jak inne rozległe obiekty kosmiczne, stanowią skomplikowane systemy dynamiczne. W takich systemach nawet najmniejsze zmiany w warunkach początkowych mogą prowadzić do nieprzewidywalnych skutków w długiej perspektywie, co tradycyjnie ogranicza dokładność modeli obliczeniowych.

Aby dokonywać prognoz na długie interwały czasowe, astronomowie zazwyczaj posługują się uproszczonymi konstrukcjami matematycznymi. Jednym z takich narzędzi jest potencjał Hénona-Heilesa, który został zaproponowany przez Michela Hénona i Carla Heilesa w 1964 roku. Badania naukowców z ITMO, wsparte finansowo przez Rosyjski Fundusz Naukowy, wykazały, że trajektorie jonów atomowych w pułapce kwadrupolowej wykazują zachowanie analogiczne do orbit gwiazd w potencjale galaktycznym. Fizycy udowodnili, że klasyczny potencjał astrofizyczny Hénona-Heilesa może być efektywnie zaimplementowany w systemie jonów atomowych.

Do stworzenia wymaganego układu pola elektrycznego w pułapce wykorzystywane są elektrody wykonane z tlenku indu i cyny, naniesionego na szklane podłoża. Dmitrij Szierbinin, starszy pracownik naukowy tego samego centrum, podkreślił, że systemy chaotyczne, pomimo różnic w swojej naturze (makro- i mikropoziom), podlegają wspólnym regułom. Ta uniwersalność pozwala na stwierdzenie istnienia wspólnych regulatorów dla różnych systemów chaotycznych, które są w stanie się wzajemnie odtwarzać.

W dziedzinach pokrewnych, takich jak obliczenia kwantowe na jonach, rosyjscy naukowcy z FIAN osiągnęli w grudniu 2025 roku rekordową precyzję operacji jednokubitowych na komputerze 70-kubitowym. To osiągnięcie potwierdza wysoki poziom kompetencji w manipulowaniu systemami jonowymi. Podczas gdy badacze zagraniczni, na przykład Christopher Monroe, postrzegają kwantowe symulacje na jonach jako obiecującą platformę do modelowania układów materii skondensowanej, rosyjskie innowacje koncentrują się na modelach astrofizycznych o charakterze makroskopowym, wykorzystując te same fundamentalne zasady sterowania naładowanymi cząstkami.