Varje dag, med lite varsel, jorden bombarderas av energiska partiklar som överöser dess invånare i ett osynligt damm av strålning, observeras endast av slumpdetektorn, eller astronom, eller fysiker som vederbörligen noterar deras bortgång. Dessa partiklar utgör, kanske, den galaktiska återstoden av någon avlägsen supernova, eller det påtagliga ekot av en pulsar. Dessa är kosmiska strålar.

Men hur produceras dessa partiklar? Och var hittar de energin att resa okontrollerat av enorma avstånd och interstellära hinder?

Det här är frågorna som Frederico Fiuza har drivit under de senaste tre åren, genom pågående projekt vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science.

En fysiker vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien, Fiuza och hans team genomför grundliga undersökningar av plasmafysik för att urskilja de grundläggande processer som accelererar partiklar. Svaren skulle kunna ge en förståelse för hur kosmiska strålar får sin energi och hur liknande accelerationsmekanismer kan sonderas i laboratoriet och användas för praktiska tillämpningar.

Medan "hur" av partikelacceleration förblir ett mysterium, "var" förstås något bättre. "Strålningen som sänds ut av elektroner säger oss att dessa partiklar accelereras av plasmaprocesser associerade med energiska astrofysiska objekt, säger Fiuza.

Det synliga universum är fyllt med plasma, joniserat material som bildas när gas överhettas, separerar elektroner från joner. Mer än 99 procent av det observerbara universum består av plasma, och strålningen som sänds ut från dem skapar det vackra, kusliga färger som accentuerar nebulosor och andra astronomiska underverk.

Motivationen för dessa projekt kom från att fråga om det var möjligt att reproducera liknande plasmaförhållanden i laboratoriet och studera hur partiklar accelereras.

Högeffektslasrar, såsom de som finns tillgängliga vid University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics eller på National Ignition Facility i Lawrence Livermore National Laboratory, kan producera toppeffekter över 1, 000 biljoner watt. Vid dessa höga makter, lasrar kan omedelbart jonisera materia och skapa energiska plasmaflöden för de önskade studierna av partikelacceleration.

Intim fysik

För att avgöra vilka processer som kan undersökas och hur man genomför experiment effektivt, Fiuzas team återskapar förhållandena för dessa laserdrivna plasma med hjälp av storskaliga simuleringar. Beräkningsmässigt, han säger, det blir mycket utmanande att samtidigt lösa experimentets stora skala och den mycket småskaliga fysiken på nivån av enskilda partiklar, där dessa flöden producerar fält som i sin tur accelererar partiklar.

Eftersom omfånget i skalor är så dramatiskt, de vände sig till Miras petaskala kraft, ALCF:s Blue Gene/Q superdator, att köra de första 3D-simuleringarna någonsin av dessa laboratoriescenarier. För att köra simuleringen, de använde OSIRIS, en toppmodern, partikel-i-cell-kod för modellering av plasma, utvecklad av UCLA och Instituto Superior Técnico, i Portugal, där Fiuza tog sin doktorsexamen.

En del av komplexiteten som är involverad i modellering av plasma härrör från den intima kopplingen mellan partiklar och elektromagnetisk strålning - partiklar avger strålning och strålningen påverkar partiklarnas rörelse.

I den första fasen av detta projekt, Fiuzas team visade att en plasmainstabilitet, Weibels instabilitet, kan omvandla en stor del av energin i plasmaflöden till magnetiska fält. De har visat en stark överensstämmelse i en en-till-en-jämförelse av experimentdata med 3D-simuleringsdata, som publicerades i Naturfysik , 2015. Detta hjälpte dem att förstå hur de starka fält som krävs för partikelacceleration kan genereras i astrofysiska miljöer.

Fiuza använder tennis som en analogi för att förklara vilken roll dessa magnetiska fält spelar för att accelerera partiklar i stötvågor. Nätet representerar stötvågen och de två spelarnas racketar är besläktade med magnetfält. Om spelarna rör sig mot nätet när de studsar bollen mellan varandra, bollen, eller partiklar, snabbt accelerera.

"Slutsatsen är, vi förstår nu hur magnetiska fält bildas som är tillräckligt starka för att studsa dessa partiklar fram och tillbaka för att få energi. Det är en process i flera steg:du måste börja med att generera starka fält – och vi hittade en instabilitet som kan generera starka fält från ingenting eller från mycket små fluktuationer – och sedan måste dessa fält effektivt sprida partiklarna, säger Fiuza.

Återansluter

Men partiklar kan aktiveras på annat sätt om systemet ger de starka magnetfälten från början.

"I vissa scenarier, som pulsarer, du har extraordinära magnetfältsamplituder, " konstaterar Fiuza. "Där, du vill förstå hur den enorma mängd energi som lagras i dessa fält direkt kan överföras till partiklar. I detta fall, vi tenderar inte att tänka på flöden eller chocker som den dominerande processen, utan snarare magnetisk återkoppling."

Magnetisk återkoppling, en grundläggande process i astrofysiska och fusionsplasma, tros vara orsaken till solflammor, koronala massutkastningar, och andra flyktiga kosmiska händelser. När magnetfält med motsatt polaritet förs samman, deras topologier ändras. Magnetfältslinjerna omarrangeras på ett sådant sätt att de omvandlar magnetisk energi till värme och kinetisk energi, orsakar en explosiv reaktion som driver accelerationen av partiklar. Detta var fokus för Fiuzas senaste projekt vid ALCF.

På nytt, Fiuzas team modellerade möjligheten att studera denna process i laboratoriet med laserdrivna plasma. För att utföra 3D, första principerna simuleringar (simuleringar härledda från grundläggande teoretiska antaganden/förutsägelser), Fiuza behövde modellera tiotals miljarder partiklar för att representera det laserdrivna magnetiserade plasmasystemet. De modellerade varje partikels rörelse och valde sedan ut de tusen mest energiska. Rörelsen av dessa partiklar spårades individuellt för att bestämma hur de accelererades av den magnetiska återkopplingsprocessen.

"Det som är ganska fantastiskt med dessa kosmiska acceleratorer är att en mycket, mycket litet antal partiklar bär en stor del av energin i systemet, låt oss säga 20 procent. Så du har denna enorma energi i detta astrofysiska system, och från någon mirakulös process, allt går till några lyckliga partiklar, " säger han. "Det betyder att den individuella rörelsen hos partiklar och partiklarnas bana är mycket viktiga."

Teamets resultat, som publicerades i Fysiska granskningsbrev , under 2016, visa att laserdriven återkoppling leder till stark partikelacceleration. När två expanderande plasmaplymer interagerar med varandra, de bildar ett tunt strömskikt, eller återkopplingslager, som blir instabil, bryta upp i mindre ark. Under denna process, magnetfältet förintas och ett starkt elektriskt fält exciteras i återanslutningsområdet, accelererar effektivt elektroner när de kommer in i området.

Fiuza förväntar sig att som hans tidigare projekt, dessa simuleringsresultat kan bekräftas experimentellt och öppna ett fönster till dessa mystiska kosmiska acceleratorer.