Universum är fyllt med magnetfält. Att förstå hur magnetiska fält genereras och förstärks i plasma är viktigt för att studera hur stora strukturer i universum bildades och hur energi är uppdelad i hela kosmos.

Ett internationellt samarbete, ledd av forskare vid University of Rochester, universitetet i Oxford, och University of Chicago, genomförde experiment som för första gången fångades i ett laboratorium som ställde in tidshistorien för tillväxten av magnetfält av den turbulenta dynamon, en fysisk mekanism som anses vara ansvarig för att generera och upprätthålla astrofysiska magnetfält.

Experimenten fick tillgång till förhållanden som är relevanta för de flesta plasma i universum och kvantifierade den hastighet med vilken den turbulenta dynamon förstärker magnetfält, en egenskap som tidigare endast härrör från teoretiska förutsägelser och numeriska simuleringar. Den snabba förstärkning de hittade överträffar teoretiska förväntningar och kan hjälpa till att förklara ursprunget för dagens storskaliga fält som observeras i galaxkluster. Deras resultat publicerades den 8 mars i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Forskarna - en del av Turbulent Dynamo (TDYNO) -teamet - genomförde sin experimentella forskning vid Omega Laser Facility vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE), där de tidigare experimentellt hade demonstrerat existensen av den turbulenta dynamomekanismen. Det genombrottet gav laget John Dawson Award 2019 för Excellence in Plasma Physics Research från American Physical Society.

I deras senaste experiment på Omega Laser Facilty, forskarna använde laserstrålar vars totala effekt motsvarar 10, 000 kärnreaktorer. De kunde uppnå förhållanden som är relevanta för heta, diffus plasma av det intraclustermedium där den turbulenta dynamomekanismen tros fungera. Teamet mätte sedan som en funktion av tiden magnetfältförstärkningen som produceras av denna mekanism.

"Att förstå hur och i vilken takt magnetfält förstärks vid makroskopiska skalor i astrofysisk turbulens är nyckeln för att förklara magnetfält som ses i galaxkluster, de största strukturerna i universum, "säger Archie Bott, en postdoktoral forskningsassistent vid Institutionen för astrofysiska vetenskaper vid Princeton och huvudförfattare till studien. "Medan numeriska modeller och teori förutsäger snabb turbulent dynamoförstärkning i mycket små skalor jämfört med turbulenta rörelser, det hade förblivit osäkert om mekanismen fungerar tillräckligt snabbt för att stå för dynamiskt markant fält på de största skalorna. "

Kärnan i den astrofysiska dynamomekanismen är turbulens. Urmagnetiska fält genereras med styrkor som är betydligt mindre än de som ses idag i galaxkluster. Stokastiska plasmabevegelser, dock, kan plocka upp dessa svaga "frö" fält och förstärka sina styrkor till betydligt större värden via sträckning, vridning och vikning av fältet. Hastigheten med vilken denna förstärkning sker, "tillväxttakten, "skiljer sig åt för de olika rumsliga skalorna för de turbulenta plasmabevegelserna:teori och simuleringar förutsäger att tillväxttakten är stor vid de minsta längdskalorna men mycket mindre i längdskalorna jämförbara med de för de största turbulenta rörelserna. TDYNO -experimenten visade att detta kan var inte fallet:turbulent dynamo-när det fungerar i en realistisk plasma-kan generera storskaliga magnetfält mycket snabbare än för närvarande förväntat av teoretiker.

"Vår teoretiska förståelse för hur turbulent dynamo fungerar har ökat kontinuerligt i över ett halvt sekel, "säger Gianluca Gregori, en professor i fysik vid Institutionen för fysik vid University of Oxford och den experimentella ledningen för projektet. "Våra senaste TDYNO-laserdrivna experiment kunde för första gången ta itu med hur turbulent dynamo utvecklas i tid, så att vi experimentellt kan mäta dess faktiska tillväxttakt. "

Dessa experiment är en del av ett gemensamt försök från TDYNO -teamet att besvara viktiga frågor som diskuteras i den turbulenta dynamolitteraturen, etablera laboratorieexperiment som en komponent i studien av turbulenta magnetiserade plasma. Samarbetet har byggt en innovativ experimentell plattform som, tillsammans med kraften i OMEGA -lasern, gör det möjligt för laget att undersöka de olika plasmaregimer som är relevanta för olika astrofysiska system. Experimenten är utformade med hjälp av numeriska simuleringar som utförs med FLASH -koden, en allmänt tillgänglig simuleringskod som exakt kan modellera laserdrivna experiment av laboratorieplasma. FLASH är utvecklat av Flash Center for Computational Science, som nyligen flyttade från University of Chicago till University of Rochester.

"Möjligheten att göra hög trohet, prediktiv modellering med FLASH, och de toppmoderna diagnostiska möjligheterna för Omega Laser Facility på LLE, har satt vårt team i en unik position för att på ett avgörande sätt öka vår förståelse för hur kosmiska magnetfält kommer att bli, "säger Petros Tzeferacos, en docent vid Institutionen för fysik och astronomi vid University of Rochester och en senior forskare vid LLE - projektets simuleringsledare. Tzeferacos fungerar också som chef för Flash Center i Rochester.

"Detta arbete går en väg till laboratorieundersökningar av olika astrofysiska processer medierade av magnetiserad turbulens, "tillägger Don Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus i astronomi och astrofysik vid University of Chicago och huvudutredare för projektet TDYNO National Laser User's Facility (NLUF). "Det är verkligen spännande att se de vetenskapliga resultat som det här teamets uppfinningsrikedom möjliggör."