Forskare från Indien och Portugal återskapade solturbulens på en bordsskiva med hjälp av en högintensiv ultrakort laserpuls för att stimulera en het, tät plasma och följde utvecklingen av det gigantiska magnetfältet som genereras av plasmadynamiken. Detta öppnar möjligheten att studera astrofysiska fenomen som utvecklingen av stjärnor, i labbet.

Turbulent magnetfältdynamik som förklarar astrofysiska fenomen som utvecklingen av stjärnor har hittills endast erhållits genom observationer via teleskop och satelliter. Nu, ett team av forskare från Indien och Portugal har återskapat sådan magnetisk turbulens på en bordsskiva i labbet, med hjälp av en ultrakort laserpuls med hög intensitet för att stimulera en het, tät plasma på en fast yta och följde den extremt snabba utvecklingen av det gigantiska magnetfältet som genererades av plasmadynamiken. Denna banbrytande studie kommer att publiceras i Naturkommunikation den 30 juni.

Turbulens finns överallt - från tekoppar till tokamaker och från vattenstrålar till vädersystem, det är något vi alla ser och upplever. Än, även efter århundraden av seriös vetenskaplig studie, vätsketurbulens förstås fortfarande inte korrekt. Även om det är svårt att definiera turbulens helt enkelt, den har många igenkännbara funktioner, den vanligaste är fluktuationerna i parametrar som hastighet och tryck, indikerar randomisering av flödet.

Turbulens är inte allt dåligt och destruktivt, trots fenomen som luftturbulens på en flygning under dåligt väder. En bra egenskap är att den möjliggör mycket snabbare blandning än möjligt med bara normal, långsam diffusion. Till exempel, sockret som tillsätts till en kopp te skulle ta timmar eller dagar att spridas ostört, men omrörning gör teet turbulent, vilket resulterar i snabb blandning på molekylnivå. Turbulens hjälper också till att blanda bränsle och syre för effektiv förbränning i motorer.

Mycket av vårt universum består av högjoniserad gas som kallas plasma, som ofta kan vara extremt het och virvlande i ofattbara hastigheter. Turbulens i en plasma är mycket mer komplex än i neutrala hydrodynamiska vätskor. I en laddad plasmamiljö, det negativt laddade, lätta elektroner och positiva tunga joner reagerar på väldigt olika längd- och tidsskalor. Rörelsen för dessa laddade arter styrs av elektromagnetiska krafter och strömflödet genom laddningspartikeldynamiken leder till magnetfältgenerering. Därför, slumpmässigheten hos magnetfält efterliknar ofta vätsketurbulensen i plasma.

Teamet av forskare som leder denna nya studie finner att turbulensen i magnetfältet inledningsvis drivs av elektronerna (i en biljondel av en sekund) och att jonerna går in och tar över vid längre tidpunkter. Detta är första gången ett sådant 'stafettlopp' med två olika arter har skymtats. Ytterligare, dessa laboratorieobservationer har en otrolig likhet med satellitdata om magnetfältspektra som mäts för turbulenta astrofysiska plasma i solvinden, solfotosfär och jordens magnethuvud. Även om i laserexperimentet elektronerna i plasman initialt får energi, det jondominerande svaret som slår till vid senare tidpunkter visar spektrala egenskaper som liknar dem i astrosystemen. Dessa experiment upprättar således tydliga samband mellan de två scenarierna, även om föraren för turbulens i laboratorieplasma är mycket annorlunda än den i det astrofysiska systemet.