Universum är mycket magnetiskt, med allt från stjärnor till planeter till galaxer som producerar sina egna magnetfält. Astrofysiker har länge funderat över dessa förvånansvärt starka och långlivade fält, med teorier och simuleringar som söker en mekanism som förklarar deras generation.

Med hjälp av en av världens mest kraftfulla laseranläggningar, ett team under ledning av University of Chicago -forskare bekräftade experimentellt en av de mest populära teorierna för kosmisk magnetfältgenerering:den turbulenta dynamon. Genom att skapa en varm turbulent plasma på ett öre, som varar några miljarder av en sekund, forskarna registrerade hur de turbulenta rörelserna kan förstärka ett svagt magnetfält till styrkorna hos de som observeras i vår sol, avlägsna stjärnor, och galaxer.

Pappret, publicerad denna vecka i Naturkommunikation , är den första laboratoriedemonstrationen av en teori, förklarar magnetfältet i många kosmiska kroppar, debatterats av fysiker i nästan ett sekel. Med hjälp av FLASH -fysikens simuleringskod, utvecklat av Flash Center for Computational Science i UChicago, forskarna utformade ett experiment som utförts vid OMEGA Laser Facility i Rochester, NY för att återskapa turbulenta dynamo -förhållanden.

Bekräftar decennier med numeriska simuleringar, experimentet avslöjade att turbulent plasma dramatiskt kunde öka ett svagt magnetfält upp till den storlek som astronomer observerade i stjärnor och galaxer.

"Vi vet nu säkert att det finns turbulent dynamo, och att det är en av de mekanismer som faktiskt kan förklara magnetisering av universum, "sa Petros Tzeferacos, forskningsassistent i astronomi och astrofysik och biträdande chef för Flash Center. "Det här är något som vi hoppades att vi visste, men nu gör vi det. "

En mekanisk dynamo producerar en elektrisk ström genom att rotera spolar genom ett magnetfält. Inom astrofysik, dynamo teorin föreslår det omvända:rörelsen av elektriskt ledande vätska skapar och upprätthåller ett magnetfält. I början av 1900 -talet, fysikern Joseph Larmor föreslog att en sådan mekanism kunde förklara jordens och solens magnetism, inspirerande decennier av vetenskaplig debatt och utredning.

Medan numeriska simuleringar visade att turbulent plasma kan generera magnetfält i skala med dem som observeras i stjärnor, planeter, och galaxer, att skapa en turbulent dynamo i laboratoriet var mycket svårare. För att bekräfta teorin krävs att man producerar plasma vid extremt hög temperatur och flyktighet för att producera tillräcklig turbulens för att vikas, sträcka och förstärka magnetfältet.

För att utforma ett experiment som skapar dessa förutsättningar, Tzeferacos och kollegor vid UChicago och University of Oxford körde hundratals två- och tredimensionella simuleringar med FLASH på Mira-superdatorn vid Argonne National Laboratory. Den sista installationen innebar sprängning av två penny-stora bitar av folie med kraftfulla lasrar, driver två plasmastrålar genom nät och till kollision med varandra, skapar turbulent vätskerörelse.

"Människor har drömt om att göra det här experimentet med lasrar länge, men det krävdes verkligen det här lagets uppfinningsrikedom för att få detta att hända, "sa Donald Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus i astronomi och astrofysik och chef för Flash Center. "Det här är ett enormt genombrott."

Teamet använde också FLASH -simuleringar för att utveckla två oberoende metoder för att mäta magnetfältet som produceras av plasma:protonradiografi, ämnet för en nyligen publicerad uppsats från FLASH -gruppen, och polariserat ljus, baserat på hur astronomer mäter magnetfält för avlägsna föremål. Båda mätningarna spårade tillväxten i bara nanosekunder av magnetfältet från dess svaga initiala tillstånd till över 100 kiloGauss-starkare än en högupplöst MRI-skanner och en miljon gånger starkare än jordens magnetfält.

"Detta arbete öppnar möjligheten att experimentellt verifiera idéer och koncept om ursprunget till magnetfält i universum som har föreslagits och studerats teoretiskt under en större del av ett sekel, "sa Fausto Cattaneo, Professor i astronomi och astrofysik vid University of Chicago och medförfattare till tidningen.

Nu när en turbulent dynamo kan skapas i ett laboratorium, forskare kan utforska djupare frågor om dess funktion:hur snabbt ökar magnetfältet i styrka? Hur starkt kan fältet bli? Hur förändrar magnetfältet turbulensen som förstärkte det?

"Det är en sak att ha välutvecklade teorier, men det är en annan sak att verkligen demonstrera det i en kontrollerad laboratoriemiljö där du kan göra alla dessa typer av mätningar om vad som händer, "Lamb sa." Nu när vi kan göra det, vi kan peta på det och undersöka det. "