Laserdrevne eksperimenter giver indsigt i universets dannelse

Universet er fyldt med magnetiske felter. At forstå, hvordan magnetiske felter genereres og forstærkes i plasmaer, er afgørende for at studere, hvordan store strukturer i universet blev dannet, og hvordan energi er opdelt i hele kosmos.

Et internationalt samarbejde, ledet af forskere ved University of Rochester, University of Oxford, og University of Chicago, udførte eksperimenter, der for første gang i et laboratorium fangede tidshistorien for væksten af ​​magnetiske felter af den turbulente dynamo, en fysisk mekanisme, der menes at være ansvarlig for at generere og opretholde astrofysiske magnetfelter.

Eksperimenterne fik adgang til forhold, der var relevante for de fleste plasmaer i universet og kvantificerede den hastighed, hvormed den turbulente dynamo forstærker magnetiske felter, en egenskab, der tidligere kun var afledt af teoretiske forudsigelser og numeriske simuleringer. Den hurtige forstærkning, de fandt, overstiger teoretiske forventninger og kan hjælpe med at forklare oprindelsen af ​​de nutidige storskalafelter, der observeres i galaksehobe. Deres resultater blev offentliggjort den 8. marts i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskerne - en del af Turbulent Dynamo (TDYNO) teamet - udførte deres eksperimentelle forskning ved Omega Laser Facility ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE), hvor de tidligere eksperimentelt havde demonstreret eksistensen af ​​den turbulente dynamomekanisme. Dette gennembrud gav holdet 2019 John Dawson Award for Excellence in Plasma Physics Research fra American Physical Society.

I deres seneste eksperimenter på Omega Laser Facilty, forskerne brugte laserstråler, hvis samlede effekt svarer til den på 10, 000 atomreaktorer. De var i stand til at opnå forhold, der var relevante for det varme, diffust plasma af intracluster-mediet, hvori den turbulente dynamo-mekanisme menes at virke. Holdet målte derefter som en funktion af tiden den magnetiske feltforstærkning produceret af denne mekanisme.

"At forstå hvordan og med hvilke hastigheder magnetiske felter forstærkes i makroskopiske skalaer i astrofysisk turbulens er nøglen til at forklare de magnetiske felter, der ses i galaksehobe, de største strukturer i universet, " siger Archie Bott, en postdoktoral forskningsmedarbejder ved Institut for Astrofysiske Videnskaber i Princeton og hovedforfatter af undersøgelsen. "Mens numeriske modeller og teori forudsiger hurtig turbulent dynamoforstærkning i meget små skalaer sammenlignet med turbulente bevægelser, det var forblevet usikkert, om mekanismen fungerer hurtigt nok til at tage højde for dynamisk signifikant felter på de største skalaer."

Kernen i den astrofysiske dynamomekanisme er turbulens. Primordiale magnetiske felter genereres med styrker, der er betydeligt mindre end dem, der ses i dag i galaksehobe. Stokastiske plasmabevægelser, imidlertid, kan opfange disse svage "frø" felter og forstærke deres styrker til væsentligt større værdier via strækning, vridning og foldning af feltet. Den hastighed, hvormed denne forstærkning sker, "vækstraten, " adskiller sig for de forskellige rumlige skalaer af de turbulente plasmabevægelser:teori og simuleringer forudsiger, at væksthastigheden er stor ved de mindste længdeskalaer, men langt mindre i længdeskalaer sammenlignelige med dem for de største turbulente bevægelser. TDYNO-eksperimenterne viste, at dette kan ikke være tilfældet:turbulent dynamo - når den opererer i et realistisk plasma - kan generere storskala magnetiske felter meget hurtigere end i øjeblikket forventet af teoretikere.

"Vores teoretiske forståelse af den turbulente dynamos funktion er vokset kontinuerligt i over et halvt århundrede, " siger Gianluca Gregori, en professor i fysik ved Institut for Fysik ved University of Oxford og den eksperimentelle leder af projektet. "Vores nylige TDYNO laserdrevne eksperimenter var i stand til for første gang at adressere, hvordan turbulent dynamo udvikler sig over tid, sætter os i stand til eksperimentelt at måle dens faktiske vækstrate."

Disse eksperimenter er en del af en fælles indsats fra TDYNO-teamet for at besvare nøglespørgsmål, der diskuteres i den turbulente dynamo-litteratur, etablering af laboratorieforsøg som en komponent i studiet af turbulente magnetiserede plasmaer. Samarbejdet har bygget en innovativ eksperimentel platform, der bl. kombineret med kraften fra OMEGA-laseren, gør det muligt for teamet at undersøge de forskellige plasmaregimer, der er relevante for forskellige astrofysiske systemer. Eksperimenterne er designet ved hjælp af numeriske simuleringer udført med FLASH-koden, en offentligt tilgængelig simuleringskode, der nøjagtigt kan modellere laserdrevne eksperimenter af laboratorieplasmaer. FLASH er udviklet af Flash Center for Computational Science, som for nylig flyttede fra University of Chicago til University of Rochester.

"Evnen til at gøre high-fidelity, prædiktiv modellering med FLASH, og de avancerede diagnostiske muligheder i Omega Laser Facility på LLE, har sat vores team i en unik position til afgørende at fremme vores forståelse af, hvordan kosmiske magnetfelter bliver til, " siger Petros Tzeferacos, en lektor i Institut for Fysik og Astronomi ved University of Rochester og en seniorforsker ved LLE - simuleringslederen af ​​projektet. Tzeferacos fungerer også som direktør for Flash Center i Rochester.

"Dette arbejde baner vejen til laboratorieundersøgelser af en række astrofysiske processer medieret af magnetiseret turbulens, " tilføjer Don Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor emeritus i astronomi og astrofysik ved University of Chicago og hovedefterforsker af TDYNO National Laser User's Facility (NLUF)-projektet. "Det er virkelig spændende at se de videnskabelige resultater, som dette holds opfindsomhed gør muligt."