Eksperimenter afslører, hvordan kraftige magnetfelter genereres i kølvandet på supernovaer

I et papir for nylig udgivet af Fysisk gennemgangsbreve , et team af forskere, herunder forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) detaljerede de første kvantitative målinger af magnetfeltstrukturen af ​​plasmaglødetråd drevet af Weibel-ustabiliteten, ved hjælp af en ny optisk Thompson-spredningsteknik.

Disse eksperimenter studerer de processer, der er ansvarlige for dannelsen af ​​kollisionsfri stød, fænomener, der observeres i astrofysiske omgivelser, såsom udvidelsen af ​​supernovaeksplosioner ind i det interstellare medium. Partiklerne fra disse eksplosioner og det interstellare medium har en meget lav tæthed og kan rejse lysår uden at kollidere.

Imidlertid, plasmaet er i stand til selv at generere stærke magnetiske og elektriske felter. Når plasmastrømmene passerer gennem hinanden, de bliver modtagelige for Weibel-ustabilitet - en plasma-ustabilitet, der er til stede i nogle elektromagnetiske plasmaer - hvilket får de to indbyrdes gennemtrængende strømme til at "filamentere" og klumpe sammen til separate strømme. Magnetiske felter omslutter disse filamenterede strømme, øge graden af ​​filamentering.

Plasmaet forstærker disse magnetiske felter, indtil de bliver stærke nok til helt at vende partiklerne rundt. På det tidspunkt stopper flowet, og det kollisionsfrie stød dannes. De kraftige magnetfelter forbundet med stødet har en anden effekt - deres turbulente bevægelse i plasmaet accelererer ladede partikler til høj energi, producerer kosmiske stråler, der kan observeres på Jorden. Weibel-ustabiliteten er det mest kritiske element i støddannelsesprocessen.

"Målet med eksperimenterne er at undersøge dynamikken i Weibel-ustabiliteten, " sagde George Swadling, LLNL fysiker og hovedforfatter på papiret. "Mens virkningerne af filamentering var blevet observeret i tidligere eksperimenter med protonradiografi, der var ikke foretaget direkte målinger af plasmadynamikken. Disse direkte målinger kan bruges til meget direkte at benchmarke de teoretiske og numeriske modeller, som bruges til at forstå væksten og udviklingen af ​​denne ustabilitet.

"Disse processer forekommer på skalaer, der er for små til at observere i astrofysiske systemer, så laboratorieforsøg giver den bedste mulighed for at kunne teste de teoretiske modeller, " tilføjede han. "I dette tilfælde, vi var i stand til at begrænse den model, der blev brugt til at forudsige den maksimale styrke af de magnetiske felter, der produceres af denne proces."

Ved at bruge OMEGA-faciliteten ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics, holdet opvarmede par af berylliumskiver med en diameter på 1 millimeter ved hjælp af laserimpulser på 1 nanosekund. De opvarmede overflader udvidede sig, producerer plasmastrømme med tophastigheder på 3,3 millioner miles i timen. Forskerne kolliderede strømmene og studerede adfærdsplasmaet ved kollisionscentret ved hjælp af den optiske Thomson-spredningsdiagnostik, som måler temperaturen, tæthed og hastighed af plasmastrømmene, giver dem mulighed for direkte at observere dannelsen af ​​plasmafilamenter på grund af Weibel-ustabiliteten og måle den strøm og det magnetiske felt forbundet med disse filamenter.

"En enorm mængde teoretisk og simuleringsarbejde er blevet udført for at forstå, hvordan denne ustabilitet udvikler sig, og hvordan den kan danne stød og accelerere partikler. Det eksperimentelle bevis for at teste disse teorier har dog været mangelfuldt, " sagde Swadling. "Vores meget kvantitative data repræsenterer derfor en af ​​de bedste muligheder endnu for at teste de teoretiske modeller og simuleringskoder, der er brugt til at forudsige disse fænomener."

Ser frem til, holdet vil anvende det, de har lært i denne kampagne, til at benchmarke partiklen i cellemodeller, der bruges til at designe eksperimenter og foretage flere målinger, når ustabiliteten har udviklet sig yderligere, giver dem mulighed for at observere overgangen fra det ustabile plasma til den fuldt dannede choktilstand.