Databaseret astrofysikhold afdækker magnetiske felter fra kosmiske begivenheder

Udviklingen af ​​ultraintensive lasere, der leverer samme strøm som hele det amerikanske elnet, har muliggjort undersøgelse af kosmiske fænomener som supernovaer og sorte huller i jordbundne laboratorier. Nu, en ny metode udviklet af beregningsastrofysikere ved University of Chicago giver forskere mulighed for at analysere et centralt kendetegn ved disse begivenheder:deres kraftfulde og komplekse magnetfelter.

Inden for fysik med høj energi densitet, eller HEDP, forskere studerer en lang række astrofysiske objekter - stjerner, supermassive sorte huller i midten af ​​galakser og galaksehobe - med laboratorieforsøg så små som en krone og kun varer et par milliarddeler af et sekund. Ved at fokusere kraftige lasere på et omhyggeligt designet mål, forskere kan producere plasmaer, der gengiver forhold observeret af astronomer i vores sol og fjerne galakser.

Planlægning af disse komplekse og dyre eksperimenter kræver stor skala, high-fidelity computersimulering på forhånd. Siden 2012 har Flash Center for Computational Science fra Institut for Astronomi &Astrofysik i UChicago har leveret den førende åbne computerkode, kaldet FLASH, for disse HEDP -simuleringer, gør det muligt for forskere at finjustere eksperimenter og udvikle analysemetoder før udførelse på steder som National Ignition Facility på Lawrence Livermore National Laboratory eller OMEGA Laser Facility i Rochester, N.Y.

"Så snart FLASH blev tilgængelig, der var en slags stormløb for at bruge det til at designe eksperimenter, " sagde Petros Tzeferacos, forskningsassistent i astronomi og astrofysik og associeret direktør for Flash Center.

Under disse forsøg, laser sonde stråler kan give forskere oplysninger om densitet og temperatur af plasmaet. Men en vigtig måling, magnetfeltet, er forblevet uhåndgribelig. For at prøve at drille magnetiske feltmålinger fra ekstreme plasmaforhold, forskere ved MIT udviklede en eksperimentel diagnostisk teknik, der i stedet bruger ladede partikler, kaldet protonradiografi.

I et nyt papir til tidsskriftet Gennemgang af videnskabelige instrumenter , Flash Center-forskerne Carlo Graziani, Donald Lamb og Tzeferacos, med MIT's Chikang Li, beskrive en ny metode til at erhverve kvantitative, information i høj opløsning om disse magnetfelter. Deres opdagelse, forfinet ved hjælp af FLASH-simuleringer og rigtige eksperimentelle resultater, åbner nye døre til forståelse af kosmiske fænomener.

"Vi valgte at gå efter eksperimenter motiveret af astrofysik, hvor magnetfelter var vigtige, "sagde Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor emeritus i astronomi og astrofysik og direktør for Flash Center. "Oprettelsen af ​​koden plus behovet for at prøve at finde ud af, hvordan man forstår, hvilke magnetiske felter der skabes, fik os til at bygge denne software, som for første gang kvantitativt kan rekonstruere formen og styrken af ​​det magnetiske felt."

Skyrocketing eksperimenter

I protonradiografi, energiske protoner skydes gennem det magnetiserede plasma mod en detektor på den anden side. Når protonerne passerer gennem magnetfeltet, de afbøjes fra deres vej, danner et komplekst mønster på detektoren. Disse mønstre var svære at fortolke, og tidligere metoder kunne kun fremsætte generelle udsagn om feltets egenskaber.

"Magnetfelter spiller vigtige roller i stort set alle astrofysiske fænomener. Hvis du ikke rent faktisk kan se på, hvad der sker, eller studer dem, du mangler en vigtig del af næsten alle astrofysiske objekter eller processer, som du er interesseret i, "sagde Tzeferacos.

Ved at udføre simulerede eksperimenter med kendte magnetfelter, Flash Center -teamet konstruerede en algoritme, der kan rekonstruere feltet ud fra proton -røntgenmønsteret. Når den er kalibreret beregningsmæssigt, metoden blev anvendt på eksperimentelle data indsamlet på laserfaciliteter, afsløre ny indsigt om astrofysiske begivenheder.

Kombinationen af ​​FLASH -koden, udviklingen af ​​proton radiografi diagnostik, og evnen til at rekonstruere magnetiske felter ud fra de eksperimentelle data, revolutionerer laboratorieplasmaastrofysik og HEDP. "Tilgængeligheden af ​​disse værktøjer har fået antallet af HEDP -eksperimenter, der studerer magnetfelter til at skyrocket, "sagde Lamb.

Den nye software til genopbygning af magnetfelt, kaldet PRaLine, vil blive delt med fællesskabet både som en del af den næste FLASH -kodeudgivelse og som en separat komponent tilgængelig på GitHub. Lamb og Tzeferacos sagde, at de forventer, at det vil blive brugt til at studere mange astrofysiske emner, såsom tilintetgørelse af magnetfelter i solkoronaen; astrofysiske jetfly produceret af unge stjerneobjekter, krabbetågen pulsar, og de supermassive sorte huller i midten af ​​galakser; og forstærkning af magnetfelter og acceleration af kosmiske stråler ved stød i supernova -rester.

"De typer eksperimenter, HEDP -forskere udfører nu, er meget forskellige, "sagde Tzeferacos." FLASH bidrog til denne mangfoldighed, fordi det giver dig mulighed for at tænke ud af boksen, prøv forskellige simuleringer af forskellige konfigurationer, og se, hvilke plasmabetingelser du er i stand til at opnå. "

Papiret, "Udlede morfologi og styrke af magnetiske felter fra protonrøntgenbilleder, "blev udgivet online af Gennemgang af videnskabelige instrumenter .