Utvecklingen av ultraintensiva lasrar som levererar samma kraft som hela USA:s elnät har möjliggjort studier av kosmiska fenomen som supernovaer och svarta hål i jordbundna laboratorier. Nu, en ny metod som utvecklats av beräkningsastrofysiker vid University of Chicago gör det möjligt för forskare att analysera en viktig egenskap hos dessa händelser:deras kraftfulla och komplexa magnetfält.

Inom fysiken med hög energitäthet, eller HEDP, forskare studerar ett brett spektrum av astrofysiska objekt - stjärnor, supermassiva svarta hål i mitten av galaxer och galaxkluster - med laboratorieexperiment så små som en slant och bara varar några miljarder sekunder av en sekund. Genom att fokusera kraftfulla lasrar på ett noggrant utformat mål, forskare kan producera plasma som återger förhållanden som observerats av astronomer i vår sol och avlägsna galaxer.

Att planera dessa komplexa och dyra experiment kräver storskalig, högupplöst datorsimulering i förväg. Sedan 2012 har Flash Center for Computational Science vid Institutionen för astronomi och astrofysik i UChicago har tillhandahållit den ledande öppna datorkoden, kallas FLASH, för dessa HEDP -simuleringar, gör det möjligt för forskare att finjustera experiment och utveckla analysmetoder före körning på platser som National Ignition Facility vid Lawrence Livermore National Laboratory eller OMEGA Laser Facility i Rochester, N.Y.

"Så snart FLASH blev tillgängligt, det fanns en slags stormgång att använda den för att designa experiment, "sa Petros Tzeferacos, forskningsassistent professor i astronomi och astrofysik och biträdande chef för Flash Center.

Under dessa experiment, lasersondstrålar kan ge forskare information om densitet och temperatur i plasma. Men en viktig mätning, magnetfältet, har förblivit gäckande. För att försöka reta ut magnetfältmätningar från extrema plasmaförhållanden, forskare vid MIT utvecklade en experimentell diagnostisk teknik som använder laddade partiklar istället, kallas protonradiografi.

I en ny tidning för tidningen Granskning av vetenskapliga instrument , Flash Center -forskarna Carlo Graziani, Donald Lamb och Tzeferacos, med MIT:s Chikang Li, beskriva en ny metod för att förvärva kvantitativa, högupplöst information om dessa magnetfält. Deras upptäckt, förfinad med hjälp av FLASH -simuleringar och verkliga experimentella resultat, öppnar nya dörrar för att förstå kosmiska fenomen.

"Vi valde att gå efter experiment motiverade av astrofysik där magnetfält var viktiga, "sa Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus i astronomi och astrofysik och chef för Flash Center. "Skapandet av koden plus behovet av att försöka lista ut hur man förstår vilka magnetfält som skapas fick oss att bygga denna programvara, som för första gången kan rekonstruera magnetfältets form och styrka kvantitativt. "

Skyrocketing experiment

I protonradiografi, energiska protoner skjuts genom den magnetiserade plasman mot en detektor på andra sidan. När protonerna passerar genom magnetfältet, de böjs från sin väg, bildar ett komplext mönster på detektorn. Dessa mönster var svåra att tolka, och tidigare metoder kunde bara göra allmänna uttalanden om fältets egenskaper.

"Magnetfält spelar viktiga roller i i stort sett alla astrofysiska fenomen. Om du inte riktigt kan titta på vad som händer, eller studera dem, du saknar en viktig del av nästan alla astrofysiska objekt eller processer som du är intresserad av, sa Tzeferacos.

Genom att utföra simulerade experiment med kända magnetfält, Flash Center -teamet konstruerade en algoritm som kan rekonstruera fältet från protonradiografmönstret. En gång kalibrerat beräknat, metoden tillämpades på experimentella data som samlats in på laseranläggningar, avslöjar nya insikter om astrofysiska händelser.

Kombinationen av FLASH -koden, utvecklingen av protonradiografi diagnostik, och förmågan att rekonstruera magnetfält från experimentella data, revolutionerar laboratoriet plasma astrofysik och HEDP. "Tillgängligheten av dessa verktyg har fått antalet HEDP -experiment som studerar magnetfält att skjuta i höjden, "sa Lamb.

Den nya programvaran för magnetfältrekonstruktion, kallas PRaLine, kommer att delas med gemenskapen både som en del av nästa FLASH -kodversion och som en separat komponent tillgänglig på GitHub. Lamb och Tzeferacos sa att de förväntar sig att det ska användas för att studera många astrofysiska ämnen, såsom förstörelse av magnetfält i solkoronan; astrofysiska strålar som produceras av unga stjärnobjekt, krabba -nebulosan, och de supermassiva svarta hålen i mitten av galaxer; och förstärkning av magnetfält och acceleration av kosmiska strålar genom stötar i supernovarester.

"De typer av experiment HEDP -forskare utför nu är mycket olika, "sa Tzeferacos." FLASH bidrog till denna mångfald, eftersom det gör att du kan tänka utanför boxen, prova olika simuleringar av olika konfigurationer, och se vilka plasmaförhållanden du kan uppnå. "

Pappret, "Avgörande av morfologi och styrka hos magnetfält från protonröntgenbilder, "publicerades online av Granskning av vetenskapliga instrument .