De ontwikkeling van ultra-intensieve lasers die hetzelfde vermogen leveren als het hele Amerikaanse elektriciteitsnet, heeft de studie van kosmische verschijnselen zoals supernova's en zwarte gaten in aardgebonden laboratoria mogelijk gemaakt. Nutsvoorzieningen, een nieuwe methode ontwikkeld door computationele astrofysici aan de Universiteit van Chicago stelt wetenschappers in staat om een ​​belangrijk kenmerk van deze gebeurtenissen te analyseren:hun krachtige en complexe magnetische velden.

Op het gebied van fysica met hoge energiedichtheid, of HEDP, wetenschappers bestuderen een breed scala aan astrofysische objecten - sterren, superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels - met laboratoriumexperimenten zo klein als een cent en die slechts een paar miljardsten van een seconde duren. Door krachtige lasers op een zorgvuldig ontworpen doel te richten, onderzoekers kunnen plasma's produceren die de omstandigheden reproduceren die zijn waargenomen door astronomen in onze zon en verre sterrenstelsels.

Het plannen van deze complexe en dure experimenten vereist grootschalige, high-fidelity computersimulatie vooraf. Sinds 2012, het Flash Center for Computational Science van het Department of Astronomy &Astrophysics van UChicago heeft de toonaangevende open computercode geleverd, genaamd FLITS, voor deze HEDP-simulaties, onderzoekers in staat stellen om experimenten te verfijnen en analysemethoden te ontwikkelen voordat ze worden uitgevoerd op locaties zoals de National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory of de OMEGA Laser Facility in Rochester, NY

"Zodra FLASH beschikbaar kwam, er was een soort stormloop om het te gebruiken om experimenten te ontwerpen, " zei Petros Tzeferacos, onderzoeksassistent-professor astronomie en astrofysica en associate director van het Flash Center.

Tijdens deze experimenten, lasersondestralen kunnen onderzoekers informatie geven over de dichtheid en temperatuur van het plasma. Maar een belangrijke meting, het magnetische veld, ongrijpbaar is gebleven. Om magnetische veldmetingen uit extreme plasmacondities te proberen te achterhalen, wetenschappers van MIT ontwikkelden een experimentele diagnostische techniek die in plaats daarvan geladen deeltjes gebruikt, protonenradiografie genoemd.

In een nieuw artikel voor het tijdschrift Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , Flash Center-wetenschappers Carlo Graziani, Donald Lamb en Tzeferacos, met MIT's Chikang Li, een nieuwe methode beschrijven voor het verkrijgen van kwantitatieve, informatie met hoge resolutie over deze magnetische velden. Hun ontdekking, verfijnd met behulp van FLASH-simulaties en echte experimentele resultaten, opent nieuwe deuren voor het begrijpen van kosmische verschijnselen.

"We kozen ervoor om experimenten aan te gaan die waren gemotiveerd door astrofysica, waarbij magnetische velden belangrijk waren, " zei Lam, de Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus in Astronomy &Astrophysics en directeur van het Flash Center. "De creatie van de code plus de noodzaak om erachter te komen hoe we kunnen begrijpen welke magnetische velden worden gecreëerd, hebben ons ertoe gebracht deze software te bouwen, die voor het eerst de vorm en sterkte van het magnetische veld kwantitatief kan reconstrueren."

Torenhoge experimenten

Bij protonenradiografie, energetische protonen worden door het gemagnetiseerde plasma naar een detector aan de andere kant geschoten. Als de protonen door het magnetische veld gaan, ze zijn van hun pad afgedwaald, vormen een complex patroon op de detector. Deze patronen waren moeilijk te interpreteren, en eerdere methoden konden alleen algemene uitspraken doen over de eigenschappen van het veld.

"Magnetische velden spelen een belangrijke rol in vrijwel elk astrofysisch fenomeen. Als je niet echt kunt kijken naar wat er gebeurt, of bestudeer ze, je mist een belangrijk onderdeel van bijna elk astrofysisch object of proces waarin je geïnteresseerd bent, ' zei Tzeferacos.

Door gesimuleerde experimenten uit te voeren met bekende magnetische velden, het Flash Center-team heeft een algoritme geconstrueerd dat het veld kan reconstrueren op basis van het protonenradiografische patroon. Eenmaal rekenkundig gekalibreerd, de methode werd toegepast op experimentele gegevens verzameld bij laserfaciliteiten, onthullende nieuwe inzichten over astrofysische gebeurtenissen.

De combinatie van de FLASH-code, de ontwikkeling van de diagnostische protonradiografie, en de mogelijkheid om magnetische velden te reconstrueren uit de experimentele gegevens, brengen een revolutie teweeg in laboratoriumplasmaastrofysica en HEDP. "De beschikbaarheid van deze tools heeft ertoe geleid dat het aantal HEDP-experimenten die magnetische velden bestuderen enorm is gestegen, " zei Lam.

De nieuwe software voor magnetische veldreconstructie, genaamd PRaLine, zal worden gedeeld met de gemeenschap, zowel als onderdeel van de volgende FLASH-code-release als als een afzonderlijk onderdeel dat beschikbaar is op GitHub. Lamb en Tzeferacos zeiden dat ze verwachten dat het zal worden gebruikt voor het bestuderen van veel astrofysica-onderwerpen, zoals de vernietiging van magnetische velden in de zonnecorona; astrofysische jets geproduceerd door jonge stellaire objecten, de Krabnevel pulsar, en de superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels; en de versterking van magnetische velden en versnelling van kosmische straling door schokken in supernovaresten.

"De soorten experimenten die HEDP-wetenschappers nu uitvoeren, zijn zeer divers, " zei Tzeferacos. "FLASH heeft bijgedragen aan deze diversiteit, omdat het je in staat stelt buiten de kaders te denken, probeer verschillende simulaties van verschillende configuraties, en kijk welke plasmacondities je kunt bereiken."

De krant, "Afleiden van morfologie en sterkte van magnetische velden uit protonenradiografieën, " is online gepubliceerd door Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .