Naukowcy opracowali przełomową technikę pomiarową wykorzystującą do obserwacji radiografię protonową osocze oddziaływania z polami magnetycznymi.
Odkrycie to może pomóc w rozszyfrowaniu powstawania międzygalaktycznych dżetów plazmy emitowanych z czarnych dziur, oferując nowe zrozumienie zjawisk kosmicznych.
Odsłanianie tajemnic dynamiki plazmy
Czy to pomiędzy galaktykami, czy w kształcie pączka połączenie urządzenia zwane tokamakami, naładowany elektrycznie czwarty stan materii, znany jako osocze regularnie napotyka potężne pola magnetyczne, zmieniające kształt i przemieszczające się w przestrzeni. Teraz nowa technika pomiarowa wykorzystująca protony, cząstki subatomowe tworzące jądra atomów, po raz pierwszy uchwyciła szczegóły tego rozpryskiwania, potencjalnie zapewniając wgląd w powstawanie ogromnych dżetów plazmy rozciągających się pomiędzy gwiazdami.
Naukowcy z amerykańskiego Departamentu ds EnergiaLaboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (DOE) (PPPL) stworzył szczegółowe zdjęcia pola magnetycznego wyginającego się na zewnątrz pod wpływem ciśnienia wytwarzanego przez rozszerzającą się plazmę. Gdy plazma napierała na pole magnetyczne, na granicach pojawiły się bulgotanie i pienienie, znane jako niestabilności magneto-Rayleigha Taylora, tworząc struktury przypominające kolumny i grzyby.
Przełom w badaniach pola magnetycznego
Następnie, gdy energia plazmy malała, linie pola magnetycznego powróciły do swoich pierwotnych pozycji. W rezultacie plazma została skompresowana w prostą strukturę przypominającą strumienie plazmy, które mogą wypływać z bardzo gęstych martwych gwiazd, zwanych czarnymi dziurami, i rozciągać się na odległości wielokrotnie większe od galaktyki. Wyniki sugerują, że te dżety, których przyczyny pozostają tajemnicą, mogą powstać w wyniku tych samych ściskających pól magnetycznych, które zaobserwowano w tych badaniach.
„Kiedy przeprowadziliśmy eksperyment i przeanalizowaliśmy dane, odkryliśmy, że mamy do czynienia z czymś dużym” – powiedziała Sophia Malko, fizyk badawczy pracujący w PPPL i główny naukowiec piszący o artykule. „Od dawna uważano, że niestabilność magneto-Rayleigha Taylora wynikająca z interakcji plazmy i pól magnetycznych ma miejsce, ale aż do teraz nie zaobserwowano jej bezpośrednio. Obserwacja ta pomaga potwierdzić, że ta niestabilność pojawia się, gdy rozszerzająca się plazma spotyka się z polami magnetycznymi. Nie wiedzieliśmy, że nasza diagnostyka będzie miała taką precyzję. Cały nasz zespół jest zachwycony!”
„Te eksperymenty pokazują, że pola magnetyczne są bardzo ważne dla powstawania strumieni plazmy” – powiedział Will Lisfizyk badawczy PPPL i główny wykonawca badań zgłoszone W Badania dotyczące przeglądu fizycznego. „Teraz, gdy mamy wgląd w to, co generuje te dżety, moglibyśmy teoretycznie badać gigantyczne dżety astrofizyczne i dowiedzieć się czegoś o czarnych dziurach”.
Innowacje w technikach pomiaru plazmy
PPPL posiada znaną na całym świecie wiedzę specjalistyczną w zakresie projektowania i budowy czujniki mierzące takie właściwości, jak gęstość i temperatura plazmy w różnych warunkach. To osiągnięcie jest jednym z kilku z ostatnich lat, które ilustruje postęp laboratorium w zakresie innowacji pomiarowych w fizyce plazmy.
Zespół udoskonalił technikę pomiarową zwaną radiografią protonową, tworząc nową odmianę tego eksperymentu, która umożliwiłaby niezwykle precyzyjne pomiary. Aby wytworzyć plazmę, zespół poświecił potężnym laserem na mały dysk z tworzywa sztucznego. Aby wytworzyć protony, oświetlili 20 laserami kapsułę zawierającą paliwo składające się z różnych atomów wodoru i helu. Gdy paliwo się nagrzało, nastąpiły reakcje syntezy, w wyniku których powstał wybuch zarówno protonów, jak i intensywnego światła zwanego promieniowaniem rentgenowskim.
Zespół zainstalował także arkusz siatki z małymi otworami w pobliżu kapsuły. Gdy protony przepływały przez siatkę, wydzielina została rozdzielona na małe, oddzielne wiązki, które zostały wygięte pod wpływem otaczających pól magnetycznych. Porównując zniekształcony obraz siatkowy z niezniekształconym obrazem wytwarzanym przez promieniowanie rentgenowskie, zespół mógł zrozumieć, w jaki sposób pola magnetyczne są popychane przez rozszerzającą się plazmę, co prowadzi do niestabilności przypominającej wir na krawędziach.
WIDEO: Śmietanka do kawy
„To, co zaobserwowaliśmy, przypominało wlewanie mleka do kawy” – powiedział Malko. „Podczas interakcji w miejscach styku pól z plazmą powstaje wiele struktur, ponieważ występują drastyczne różnice w temperaturze, gęstości i natężeniu pola magnetycznego. To idealne miejsce do ich rozwoju.”
„Nasz eksperyment był wyjątkowy, ponieważ mogliśmy bezpośrednio zobaczyć zmiany pola magnetycznego w czasie” – powiedział Fox. „Mogliśmy bezpośrednio obserwować, jak pole jest wypychane i reaguje na plazmę, tworząc coś w rodzaju przeciągania liny”.
Odkrywanie plazmy o wysokiej gęstości energii
Odkrycia ilustrują, jak PPPL rozszerza swoje zainteresowania, włączając badania skupiające się na plazmie o wysokiej gęstości energii (HED). Takie plazmy, jak ta wytworzona w kapsule paliwowej w tym eksperymencie, są gorętsze i gęstsze niż te stosowane w eksperymentach termojądrowych. „Plazma HED to ekscytujący obszar rozwoju fizyki plazmy” – powiedział Fox. „Ta praca jest częścią wysiłków PPPL mających na celu rozwój w tej dziedzinie. Wyniki pokazują, w jaki sposób Laboratorium może stworzyć zaawansowaną diagnostykę, która da nam nowy wgląd w tego typu plazmę, która może znaleźć zastosowanie w urządzeniach do syntezy laserowej, a także w technikach wykorzystujących plazmę HED do wytwarzania promieniowania na potrzeby produkcji mikroelektroniki”.
„PPPL posiada ogromną wiedzę i doświadczenie w zakresie namagnesowanych plazm, które mogą wnieść znaczący wkład w dziedzinę plazm HED wytwarzanych laserowo” – powiedział Fox.
„Nauka w ramach HED jest złożona, fascynująca i kluczowa do zrozumienia szerokiego zakresu zjawisk” – powiedziała Laura Berzak Hopkins, zastępca dyrektora laboratorium PPPL ds. strategii i partnerstwa oraz zastępca dyrektora ds. badań. „Zarówno generowanie tych warunków w kontrolowany sposób, jak i opracowanie zaawansowanej diagnostyki na potrzeby precyzyjnych pomiarów, jest niezwykle trudnym wyzwaniem. Te ekscytujące wyniki pokazują wpływ integracji szerokiej wiedzy technicznej PPPL z innowacyjnymi podejściami”.
Więcej eksperymentów i lepsze symulacje
Naukowcy planują pracować nad przyszłymi eksperymentami, które pomogą ulepszyć modele rozszerzającej się plazmy. „Naukowcy założyli, że w takich sytuacjach gęstość i magnetyzm różnią się bezpośrednio, ale okazuje się, że to nieprawda” – powiedział Malko.
„Teraz, gdy bardzo dokładnie zmierzyliśmy te niestabilności, dysponujemy informacjami, których potrzebujemy, aby ulepszyć nasze modele oraz potencjalnie symulować i rozumieć dżety astrofizyczne w większym stopniu niż wcześniej” – powiedział Malko. „To interesujące, że ludzie mogą stworzyć w laboratorium coś, co zwykle istnieje w kosmosie”.
Odniesienie: „Obserwacja niestabilności magneto-Rayleigha-Taylora w magnetycznie kolimowanych strumieniach plazmy” autorstwa S. Malko, DB Schaeffer, W. Yao, V. Valenzuela-Villaseca, C. Johnson, G. Fiksel, A. Ciardi i W. Lis, 27 czerwca 2024 r., Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023330
Współpracownikami byli naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, Uniwersytetu Sorbonne, Uniwersytet Princeton i Uniwersytet Michigan. Badania zostały sfinansowane w ramach programu badań i rozwoju kierowanego laboratoryjnie DOE w ramach umowy o numerze DE-AC02-09CH11466. Eksperyment przeprowadzono przy użyciu urządzenia laserowego Omega na Uniwersytecie Rochester w ramach umowy DOE/National Nuclear Security Administration o numerze DE-NA0003856.
