Astrofysikere afgør kosmisk debat om magnetisme af planeter og stjerner

Universet er meget magnetisk, med alt fra stjerner til planeter til galakser, der producerer deres egne magnetfelter. Astrofysikere har længe undret sig over disse overraskende stærke og langlivede felter, med teorier og simuleringer, der søger en mekanisme, der forklarer deres generation.

Ved hjælp af et af verdens mest kraftfulde laserfaciliteter, et team ledet af University of Chicago forskere bekræftede eksperimentelt en af ​​de mest populære teorier om kosmisk magnetfeltgenerering:den turbulente dynamo. Ved at skabe et varmt turbulent plasma på størrelse med en krone, der varer et par milliarder af et sekund, forskerne registrerede, hvordan de turbulente bevægelser kan forstærke et svagt magnetfelt til styrkerne af dem, der observeres i vores sol, fjerne stjerner, og galakser.

Papiret, udgivet i denne uge i Naturkommunikation , er den første laboratoriedemonstration af en teori, forklarer magnetfeltet i mange kosmiske legemer, debatteret af fysikere i næsten et århundrede. Ved hjælp af FLASH fysik simuleringskoden, udviklet af Flash Center for Computational Science i UChicago, forskerne designede et eksperiment udført på OMEGA Laser Facility i Rochester, NY for at genskabe turbulente dynamo -forhold.

Bekræfter årtiers numeriske simuleringer, eksperimentet afslørede, at turbulent plasma dramatisk kunne øge et svagt magnetfelt op til den størrelse observeret af astronomer i stjerner og galakser.

"Vi ved nu med sikkerhed, at der findes turbulent dynamo, og at det er en af ​​de mekanismer, der faktisk kan forklare magnetisering af universet, "sagde Petros Tzeferacos, forskningsassistent i astronomi og astrofysik og associeret direktør for Flash Center. "Det er noget, vi håbede, vi vidste, men nu gør vi det. "

En mekanisk dynamo producerer en elektrisk strøm ved at rotere spoler gennem et magnetfelt. I astrofysik, dynamo teorien foreslår det modsatte:bevægelsen af ​​elektrisk ledende væske skaber og opretholder et magnetisk felt. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, fysiker Joseph Larmor foreslog, at en sådan mekanisme kunne forklare Jordens og Solens magnetisme, inspirerende årtiers videnskabelig debat og undersøgelse.

Mens numeriske simuleringer demonstrerede, at turbulent plasma kan generere magnetfelter i omfanget af dem, der observeres i stjerner, planeter, og galakser, at skabe en turbulent dynamo i laboratoriet var langt vanskeligere. Bekræftelse af teorien kræver fremstilling af plasma ved ekstremt høj temperatur og flygtighed for at producere den tilstrækkelige turbulens til at folde, strække og forstærke magnetfeltet.

For at designe et eksperiment, der skaber disse betingelser, Tzeferacos og kolleger ved UChicago og University of Oxford kørte hundredvis af to- og tredimensionelle simuleringer med FLASH på Mira-supercomputeren ved Argonne National Laboratory. Den sidste opsætning indebar sprængning af to stykker folie i kraft af kraftige lasere, at drive to stråler plasma gennem gitre og i kollision med hinanden, skaber turbulent væskebevægelse.

"Folk har drømt om at lave dette eksperiment med lasere i lang tid, men det tog virkelig dette teams opfindsomhed at få dette til at ske, "sagde Donald Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus in Astronomy &Astrophysics og direktør for Flash Center. "Dette er et kæmpe gennembrud."

Holdet brugte også FLASH -simuleringer til at udvikle to uafhængige metoder til måling af magnetfeltet, der produceres af plasmaet:protonradiografi, emnet for en nylig artikel fra FLASH -gruppen, og polariseret lys, baseret på, hvordan astronomer måler magnetiske felter i fjerne objekter. Begge målinger sporede væksten på blot nanosekunder af magnetfeltet fra dets svage starttilstand til over 100 kiloGauss-stærkere end en højopløselig MRI-scanner og en million gange stærkere end jordens magnetfelt.

"Dette arbejde åbner mulighed for at eksperimentelt verificere ideer og begreber om oprindelsen af ​​magnetfelter i universet, der er blevet foreslået og studeret teoretisk i løbet af den bedre del af et århundrede, "sagde Fausto Cattaneo, Professor i astronomi og astrofysik ved University of Chicago og medforfatter af papiret.

Nu hvor en turbulent dynamo kan skabes i et laboratorium, forskere kan undersøge dybere spørgsmål om dets funktion:hvor hurtigt øger magnetfeltet i styrke? Hvor stærk kan feltet blive? Hvordan ændrer magnetfeltet turbulensen, der forstærkede det?

"Det er en ting at have veludviklede teorier, men det er en anden ting at virkelig demonstrere det i et kontrolleret laboratorium, hvor du kan foretage alle disse målinger af, hvad der foregår, "Lam sagde." Nu hvor vi kan gøre det, vi kan stikke det og undersøge det. "