Felter og strømme affyrer kosmiske acceleratorer

Hver dag, med lidt varsel, Jorden bliver bombarderet af energiske partikler, der oversvømmer dens indbyggere i et usynligt støv af stråling, kun observeret af den tilfældige detektor, eller astronom, eller fysiker, der behørigt bemærker deres bortgang. Disse partikler udgør, måske, den galaktiske rest af en fjern supernova, eller det håndgribelige ekko af en pulsar. Disse er kosmiske stråler.

Men hvordan produceres disse partikler? Og hvor finder de energien til at rejse ukontrolleret af enorme afstande og interstellare forhindringer?

Disse spørgsmål har Frederico Fiuza forfulgt i de sidste tre år, gennem igangværende projekter på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility.

En fysiker ved SLAC National Accelerator Laboratory i Californien, Fiuza og hans team udfører grundige undersøgelser af plasmafysik for at skelne de grundlæggende processer, der accelererer partikler. Svarene kunne give en forståelse af, hvordan kosmiske stråler får deres energi, og hvordan lignende accelerationsmekanismer kan sonderes i laboratoriet og bruges til praktiske anvendelser.

Mens "hvordan" af partikelacceleration forbliver et mysterium, "hvor" er lidt bedre forstået. "Strålingen, der udsendes af elektroner, fortæller os, at disse partikler accelereres af plasmaprocesser forbundet med energiske astrofysiske objekter, " siger Fiuza.

Det synlige univers er fyldt med plasma, ioniseret stof dannet, når gas overophedes, adskille elektroner fra ioner. Mere end 99 procent af det observerbare univers er lavet af plasmaer, og strålingen udsendt fra dem skaber det smukke, uhyggelige farver, der fremhæver tåger og andre astronomiske vidundere.

Motivationen for disse projekter kom fra at spørge, om det var muligt at reproducere lignende plasmaforhold i laboratoriet og undersøge, hvordan partikler accelereres.

Højeffekt lasere, såsom dem, der er tilgængelige på University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics eller på National Ignition Facility i Lawrence Livermore National Laboratory, kan producere spidseffekter på over 1, 000 billioner watt. Ved disse højmagter, lasere kan øjeblikkeligt ionisere stof og skabe energiske plasmastrømme til de ønskede undersøgelser af partikelacceleration.

Intim fysik

For at bestemme, hvilke processer der kan undersøges, og hvordan man udfører eksperimenter effektivt, Fiuzas team genskaber betingelserne for disse laserdrevne plasmaer ved hjælp af simuleringer i stor skala. Beregningsmæssigt, han siger, det bliver meget udfordrende samtidig at løse eksperimentets store skala og fysikken i meget lille skala på niveau med individuelle partikler, hvor disse strømme producerer felter, der igen accelererer partikler.

Fordi omfanget i skalaer er så dramatisk, de vendte sig til Miras petaskalakraft, ALCF's Blue Gene/Q supercomputer, at køre de første 3D-simuleringer nogensinde af disse laboratoriescenarier. For at køre simuleringen, de brugte OSIRIS, en state-of-the-art, partikel-i-celle-kode til modellering af plasmaer, udviklet af UCLA og Instituto Superior Técnico, i Portugal, hvor Fiuza fik sin ph.d.

En del af kompleksiteten involveret i modellering af plasmaer er afledt af den intime kobling mellem partikler og elektromagnetisk stråling - partikler udsender stråling, og strålingen påvirker partiklernes bevægelse.

I første fase af dette projekt, Fiuzas hold viste, at en plasma-ustabilitet, Weibels ustabilitet, er i stand til at omdanne en stor del af energien i plasmastrømme til magnetiske felter. De har vist en stærk overensstemmelse i en en-til-en sammenligning af de eksperimentelle data med 3-D simuleringsdata, som blev offentliggjort i Naturfysik , i 2015. Dette hjalp dem med at forstå, hvordan de stærke felter, der kræves til partikelacceleration, kan genereres i astrofysiske miljøer.

Fiuza bruger tennis som en analogi til at forklare den rolle, disse magnetiske felter spiller i accelererende partikler i chokbølger. Nettet repræsenterer chokbølgen, og de to spilleres ketsjere er beslægtet med magnetiske felter. Hvis spillerne bevæger sig mod nettet, mens de hopper bolden mellem hinanden, bolden, eller partikler, hurtigt accelerere.

"Bundlinjen er, vi forstår nu, hvordan magnetiske felter dannes, der er stærke nok til at hoppe disse partikler frem og tilbage for at blive aktiveret. Det er en proces med flere trin:du skal starte med at generere stærke felter - og vi fandt en ustabilitet, der kan generere stærke felter fra ingenting eller fra meget små udsving - og så skal disse felter effektivt sprede partiklerne, " siger Fiuza.

Genopretter forbindelse

Men partikler kan aktiveres på en anden måde, hvis systemet giver de stærke magnetfelter fra starten.

"I nogle scenarier, som pulsarer, du har ekstraordinære magnetfeltamplituder, " bemærker Fiuza. "Der, du ønsker at forstå, hvordan den enorme mængde energi, der er lagret i disse felter, kan overføres direkte til partikler. I dette tilfælde, vi har ikke en tendens til at tænke på strømme eller stød som den dominerende proces, men snarere magnetisk genforbindelse."

Magnetisk genforbindelse, en grundlæggende proces i astrofysiske og fusionsplasmaer, menes at være årsagen til soludbrud, koronale masseudstødninger, og andre flygtige kosmiske begivenheder. Når magnetiske felter med modsat polaritet bringes sammen, deres topologier ændres. De magnetiske feltlinjer omarrangeres på en sådan måde, at de omdanner magnetisk energi til varme og kinetisk energi, forårsager en eksplosiv reaktion, der driver accelerationen af ​​partikler. Dette var fokus for Fiuzas seneste projekt ved ALCF.

Igen, Fiuzas team modellerede muligheden for at studere denne proces i laboratoriet med laserdrevne plasmaer. At udføre 3D, første princips-simuleringer (simuleringer afledt af grundlæggende teoretiske antagelser/forudsigelser), Fiuza havde brug for at modellere titusindvis af milliarder af partikler for at repræsentere det laserdrevne magnetiserede plasmasystem. De modellerede hver partikels bevægelse og udvalgte derefter de tusinde mest energiske. Bevægelsen af ​​disse partikler blev individuelt sporet for at bestemme, hvordan de blev accelereret af den magnetiske genforbindelsesproces.

"Det, der er ret forbløffende ved disse kosmiske acceleratorer, er, at en meget, meget lille antal partikler bærer en stor del af energien i systemet, lad os sige 20 procent. Så du har denne enorme energi i dette astrofysiske system, og fra en eller anden mirakuløs proces, det hele går til et par heldige partikler, " siger han. "Det betyder, at den individuelle bevægelse af partikler og partiklernes bane er meget vigtig."

Holdets resultater, som blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , i 2016, vise, at laserdrevet genforbindelse fører til kraftig partikelacceleration. Da to ekspanderende plasmafaner interagerer med hinanden, de danner en tynd strømplade, eller genforbindelseslag, som bliver ustabil, brækkes i mindre ark. Under denne proces, magnetfeltet tilintetgøres, og et stærkt elektrisk felt exciteres i genforbindelsesområdet, effektivt accelererer elektroner, når de kommer ind i området.

Fiuza forventer, at ligesom hans tidligere projekt, disse simuleringsresultater kan bekræftes eksperimentelt og åbne et vindue ind i disse mystiske kosmiske acceleratorer.