Het universum is sterk magnetisch, met alles van sterren tot planeten tot sterrenstelsels die hun eigen magnetische velden produceren. Astrofysici hebben lang gepuzzeld over deze verrassend sterke en langlevende velden, met theorieën en simulaties op zoek naar een mechanisme dat hun generatie verklaart.

Met behulp van een van 's werelds krachtigste laserfaciliteiten, een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Chicago heeft experimenteel een van de meest populaire theorieën voor het genereren van kosmische magnetische velden bevestigd:de turbulente dynamo. Door een heet turbulent plasma te creëren ter grootte van een cent, dat duurt een paar miljardsten van een seconde, de onderzoekers hebben vastgelegd hoe de turbulente bewegingen een zwak magnetisch veld kunnen versterken tot de sterktes van die waargenomen in onze zon, verre sterren, en sterrenstelsels.

De krant, deze week gepubliceerd in Natuurcommunicatie , is de eerste laboratoriumdemonstratie van een theorie, verklaren van het magnetische veld van talrijke kosmische lichamen, bijna een eeuw lang door natuurkundigen besproken. Met behulp van de FLASH-fysica-simulatiecode, ontwikkeld door het Flash Center for Computational Science van UChicago, ontwierpen de onderzoekers een experiment dat werd uitgevoerd in de OMEGA Laser Facility in Rochester, NY om turbulente dynamo-omstandigheden te creëren.

Bevestiging van tientallen jaren van numerieke simulaties, het experiment onthulde dat turbulent plasma een zwak magnetisch veld dramatisch zou kunnen versterken tot de grootte die wordt waargenomen door astronomen in sterren en sterrenstelsels.

"We weten nu zeker dat er turbulente dynamo bestaat, en dat het een van de mechanismen is die de magnetisatie van het universum kan verklaren, " zei Petros Tzeferacos, onderzoeksassistent-professor astronomie en astrofysica en associate director van het Flash Center. "Dit is iets waarvan we hoopten dat we het wisten, maar nu doen we het."

Een mechanische dynamo wekt een elektrische stroom op door spoelen door een magnetisch veld te laten draaien. In de astrofysica, dynamotheorie stelt het omgekeerde voor:de beweging van elektrisch geleidende vloeistof creëert en onderhoudt een magnetisch veld. In het begin van de 20e eeuw, natuurkundige Joseph Larmor stelde voor dat een dergelijk mechanisme het magnetisme van de aarde en de zon zou kunnen verklaren, inspirerende decennia van wetenschappelijk debat en onderzoek.

Terwijl numerieke simulaties hebben aangetoond dat turbulent plasma magnetische velden kan genereren op de schaal van die waargenomen in sterren, planeten, en sterrenstelsels, het creëren van een turbulente dynamo in het laboratorium was veel moeilijker. Om de theorie te bevestigen, moet plasma worden geproduceerd bij extreem hoge temperatuur en vluchtigheid om voldoende turbulentie te produceren om te vouwen, het magnetische veld uitrekken en versterken.

Om een ​​experiment te ontwerpen dat die voorwaarden creëert, Tzeferacos en collega's van UChicago en de Universiteit van Oxford voerden honderden twee- en driedimensionale simulaties uit met FLASH op de Mira-supercomputer van het Argonne National Laboratory. De uiteindelijke opstelling omvatte het opblazen van twee penny-sized stukken folie met krachtige lasers, twee stralen plasma door roosters voortstuwen en met elkaar in botsing komen, turbulente vloeistofbeweging creëren.

"Mensen dromen er al heel lang van om dit experiment met lasers te doen, maar er was echt de vindingrijkheid van dit team voor nodig om dit voor elkaar te krijgen, " zei Donald Lam, de Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus in Astronomy &Astrophysics en directeur van het Flash Center. "Dit is een enorme doorbraak."

Het team gebruikte ook FLASH-simulaties om twee onafhankelijke methoden te ontwikkelen voor het meten van het magnetische veld dat door het plasma wordt geproduceerd:protonenradiografie, het onderwerp van een recent artikel van de FLASH-groep, en gepolariseerd licht, gebaseerd op hoe astronomen de magnetische velden van verre objecten meten. Beide metingen volgden de groei in slechts nanoseconden van het magnetische veld van zijn zwakke begintoestand tot meer dan 100 kiloGauss - sterker dan een MRI-scanner met hoge resolutie en een miljoen keer sterker dan het magnetische veld van de aarde.

"Dit werk opent de mogelijkheid om experimenteel ideeën en concepten te verifiëren over de oorsprong van magnetische velden in het universum die gedurende het grootste deel van een eeuw theoretisch zijn voorgesteld en bestudeerd, " zei Fausto Cattaneo, Hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van het artikel.

Nu in een laboratorium een ​​turbulente dynamo kan worden gecreëerd, wetenschappers kunnen diepere vragen over de functie ervan onderzoeken:hoe snel wordt het magnetische veld sterker? Hoe sterk kan het veld worden? Hoe verandert het magnetische veld de turbulentie die het versterkte?

"Het is één ding om goed ontwikkelde theorieën te hebben, maar het is iets anders om het echt te demonstreren in een gecontroleerde laboratoriumomgeving waar je al dit soort metingen kunt doen over wat er aan de hand is, " zei Lamb. "Nu we het kunnen doen, we kunnen het porren en onderzoeken."