Используя одну из самых мощных лазерных установок в мире, группа ученых под руководством ученых Чикагского университета экспериментально подтвердила одну из самых популярных теорий генерации космического магнитного поля: турбулентное динамо. Создав горячую турбулентную плазму размером с пенни, которая длится несколько миллиардных долей секунды, исследователи зафиксировали, как турбулентные движения могут усиливать слабое магнитное поле до силы, наблюдаемой на нашем Солнце, далеких звездах и галактиках.Статья, опубликованная на этой неделе в Nature Communications, является первой лабораторной демонстрацией теории, объясняющей магнитное поле многочисленных космических тел, которая обсуждается физиками почти столетие.
Используя код моделирования физики FLASH, разработанный Центром вычислительной техники Flash в Калифорнийском университете в Чикаго, исследователи разработали эксперимент, проведенный на лазерной установке OMEGA в Рочестере, штат Нью-Йорк, для воссоздания условий турбулентного динамо.Подтверждая десятилетия численного моделирования, эксперимент показал, что турбулентная плазма может резко усилить слабое магнитное поле до величины, наблюдаемой астрономами в звездах и галактиках.
«Теперь мы точно знаем, что турбулентное динамо существует, и что это один из механизмов, который на самом деле может объяснить намагничивание Вселенной», — сказал Петрос Цеферакос, доцент астрономии и астрофизики и заместитель директора Flash Center. «Это то, о чем мы надеялись, что знаем, но теперь мы знаем».Механическое динамо производит электрический ток, вращая катушки в магнитном поле. В астрофизике теория динамо предлагает обратное: движение электропроводящей жидкости создает и поддерживает магнитное поле.
В начале 20 века физик Джозеф Лармор предположил, что такой механизм может объяснить магнетизм Земли и Солнца, вдохновив десятилетия научных дискуссий и исследований.Хотя численное моделирование продемонстрировало, что турбулентная плазма может генерировать магнитные поля в масштабе тех, которые наблюдаются у звезд, планет и галактик, создание турбулентного динамо в лаборатории было намного сложнее. Подтверждение теории требует производства плазмы с чрезвычайно высокой температурой и летучестью, чтобы создать достаточную турбулентность, чтобы складывать, растягивать и усиливать магнитное поле.Чтобы разработать эксперимент, который создает такие условия, Цеферакос и его коллеги из Калифорнийского университета в Чикаго и Оксфордского университета провели сотни двух- и трехмерных симуляций с помощью FLASH на суперкомпьютере Mira в Аргоннской национальной лаборатории.
Окончательная установка включала подрыв двух кусков фольги размером с пенни с помощью мощных лазеров, запускающих две струи плазмы через решетки и столкновение друг с другом, создавая турбулентное движение жидкости.«Люди давно мечтали провести этот эксперимент с лазерами, но для этого потребовалась изобретательность этой команды», — сказал Дональд Лэмб, заслуженный профессор астрономии Роберта А. Милликена. Астрофизика и директор Flash Center. «Это огромный прорыв».
Команда также использовала моделирование FLASH для разработки двух независимых методов измерения магнитного поля, создаваемого плазмой: протонная радиография, тема недавней статьи группы FLASH, и поляризованный свет, основанный на том, как астрономы измеряют магнитные поля далеких объектов. . Оба измерения отслеживали рост магнитного поля от его слабого начального состояния до более чем 100 килогаусс за наносекунды — это сильнее, чем МРТ-сканер с высоким разрешением, и в миллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли.«Эта работа открывает возможность экспериментальной проверки идей и концепций о происхождении магнитных полей во Вселенной, которые были предложены и теоретически изучены в течение большей части столетия», — сказал Фаусто Каттанео, профессор астрономии и астрофизики в университете. из Чикаго и соавтор статьи.Теперь, когда турбулентное динамо может быть создано в лаборатории, ученые могут исследовать более глубокие вопросы о его функции: как быстро магнитное поле увеличивается в силе?
Насколько сильным может стать поле? Как магнитное поле изменяет турбулентность, которая его усиливает?
«Одно дело — иметь хорошо разработанные теории, но другое дело — действительно продемонстрировать это в контролируемой лабораторной обстановке, где вы можете проводить всевозможные измерения того, что происходит», — сказал Лэмб. «Теперь, когда мы можем это сделать, мы можем ткнуть его и исследовать».