Ученые ИТМО моделируют динамику галактик с помощью захваченных ионов

Специалисты Университета ИТМО разработали метод, позволяющий с высокой точностью моделировать движение звезд относительно центра Галактики и последующие трансформации Млечного Пути. В основе подхода лежит использование атомарных ионов, удерживаемых в специальной лабораторной ловушке, что позволяет перейти от чисто математических вычислений к экспериментальному изучению астрофизических процессов на основе принципа подобия.

Семён Рудой, научный сотрудник Научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО, пояснил, что данный метод дает возможность воспроизводить космическую систему «на ладони», исследовать астрофизические явления и даже оказывать на них влияние, используя заряженные частицы в ловушке как аналог звезд. Галактики, как и другие крупные космические объекты, представляют собой сложные динамические системы, где малейшие вариации в начальных условиях могут привести к непредсказуемым долгосрочным результатам, что ограничивает точность традиционных вычислительных моделей.

Для прогнозирования на длительных временных интервалах астрономы традиционно используют упрощенные математические конструкции, такие как потенциал Хенона–Хейлеса, предложенный Мишелем Хеноном и Карлом Хейлесом в 1964 году. Исследование ученых ИТМО, поддержанное Российским научным фондом, продемонстрировало, что траектории атомарных ионов в квадрупольной ловушке ведут себя аналогично орбитам звезд в галактическом потенциале. Физики обнаружили, что классический астрофизический потенциал Хенона-Хейлеса может быть реализован в системе атомарных ионов.

Для создания необходимой конфигурации электрического поля в ловушке используются электроды, изготовленные из оксида индия-олова, нанесенного на стеклянные подложки. Дмитрий Шербинин, старший научный сотрудник того же центра, акцентировал внимание на том, что хаотические системы, несмотря на различие их природы (макро- и микроуровень), подчиняются общим закономерностям. Это позволяет утверждать о существовании единых регуляторов для различных хаотических систем, способных воспроизводить друг друга.

В смежных областях, таких как квантовые вычисления на ионах, российские ученые из ФИАН в декабре 2025 года достигли рекордной точности однокубитных операций на 70-кубитном компьютере, что подтверждает высокий уровень компетенций в работе с ионными системами. В то время как зарубежные исследователи, например, Кристофер Монро, рассматривают квантовые симуляции на ионах как перспективную платформу для моделирования систем конденсированного состояния, российская разработка фокусируется на макроскопических астрофизических моделях, используя те же фундаментальные принципы управления заряженными частицами.