I en tidning som nyligen publicerats av Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare inklusive forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) detaljerade de första kvantitativa mätningarna av magnetfältsstrukturen hos plasmaglödtråden som drivs av Weibel-instabiliteten, med användning av en ny optisk Thompson-spridningsteknik.

Dessa experiment studerar de processer som är ansvariga för bildandet av kollisionsfria stötar, fenomen som observeras i astrofysiska miljöer, såsom expansionen av supernovaexplosioner in i det interstellära mediet. Partiklarna från dessa explosioner och det interstellära mediet har en mycket låg densitet och kan färdas i ljusår utan att kollidera.

Dock, plasman kan självgenerera starka magnetiska och elektriska fält. När plasmaströmmarna passerar genom varandra, de blir mottagliga för Weibel-instabiliteten – en plasmainstabilitet som finns i vissa elektromagnetiska plasma – vilket gör att de två genomträngande flödena "filamenteras" och klumpar ihop sig till separata strömmar. Magnetiska fält omsluter dessa filamenterade flöden, öka graden av filamentering.

Plasman förstärker dessa magnetiska fält tills de blir tillräckligt starka för att helt vända partiklarna. Vid den punkten stannar flödet och den kollisionsfria stöten bildas. De kraftfulla magnetfälten som är förknippade med chocken har en annan effekt - deras turbulenta rörelse i plasma accelererar laddade partiklar till hög energi, producerar kosmiska strålar som kan observeras på jorden. Weibels instabilitet är det mest kritiska elementet i chockbildningsprocessen.

"Syftet med experimenten är att undersöka dynamiken i Weibels instabilitet, " sa George Swadling, LLNL fysiker och huvudförfattare på tidningen. "Medan effekterna av filamentering hade observerats i tidigare experiment med protonradiografi, inga direkta mätningar hade gjorts av plasmadynamiken. Dessa direkta mätningar kan användas för att mycket direkt benchmarka de teoretiska och numeriska modellerna, som används för att förstå tillväxten och utvecklingen av denna instabilitet.

"Dessa processer sker i skalor som är för små för att observera i astrofysiska system, så labbexperiment ger den bästa möjligheten att kunna testa de teoretiska modellerna, " tillade han. "I det här fallet, vi kunde begränsa modellen som användes för att förutsäga den maximala styrkan hos magnetfälten som produceras av denna process."

Genom att använda OMEGA-anläggningen vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics, teamet värmde upp par av berylliumskivor med en diameter på 1 millimeter med hjälp av laserpulser på 1 nanosekund. De uppvärmda ytorna expanderade, producerar plasmaflöden med topphastigheter på 3,3 miljoner miles per timme. Forskarna kolliderade med flödena och studerade beteendeplasman vid kollisionscentret med den optiska Thomson-spridningsdiagnostiken, som mäter temperaturen, plasmaströmmarnas densitet och hastighet, gör det möjligt för dem att direkt observera bildandet av plasmatrådar på grund av Weibels instabilitet och att mäta strömmen och magnetfältet som är associerat med dessa filament.

"En enorm mängd teoretiskt och simuleringsarbete har utförts för att förstå hur denna instabilitet utvecklas och hur den kan bilda stötar och accelerera partiklar. De experimentella bevisen för att testa dessa teorier har dock saknats, "Sade Swadling. "Vår mycket kvantitativa data representerar därför en av de bästa möjligheterna hittills att testa de teoretiska modellerna och simuleringskoderna som används för att förutsäga dessa fenomen."

Blickar framåt, Teamet kommer att tillämpa det de lärt sig i den här kampanjen för att jämföra partikeln i cellmodeller som används för att designa experiment och göra fler mätningar när instabiliteten har utvecklats ytterligare, så att de kan observera övergången från det instabila plasmat till det fullt bildade chocktillståndet.