In een artikel dat onlangs is gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven , een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), detailleert de eerste kwantitatieve metingen van de magnetische veldstructuur van plasmafilamentatie aangedreven door de Weibel-instabiliteit, met behulp van een nieuwe optische Thompson-verstrooiingstechniek.

Deze experimenten bestuderen de processen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van botsingsloze schokken, fenomenen die worden waargenomen in astrofysische omgevingen, zoals de uitbreiding van supernova-explosies in het interstellaire medium. De deeltjes van deze explosies en het interstellaire medium hebben een zeer lage dichtheid en kunnen lichtjaren reizen zonder te botsen.

Echter, het plasma is in staat om zelf sterke magnetische en elektrische velden te genereren. Terwijl de plasmastromen door elkaar heen gaan, ze worden vatbaar voor de Weibel-instabiliteit - een plasma-instabiliteit die aanwezig is in sommige elektromagnetische plasma's - waardoor de twee elkaar doordringende stromen "gloeien" en samenklonteren tot afzonderlijke stromen. Magnetische velden wikkelen zich rond deze filamentvormige stromen, het verhogen van de mate van filamentatie.

Het plasma versterkt deze magnetische velden totdat ze sterk genoeg worden om de deeltjes volledig om te draaien. Op dat moment stopt de stroom en wordt de botsingsloze schok gevormd. De krachtige magnetische velden die met de schok gepaard gaan, hebben nog een ander effect:hun turbulente beweging in het plasma versnelt geladen deeltjes tot hoge energie, die kosmische straling produceert die op aarde kan worden waargenomen. De instabiliteit van Weibel is het meest kritische element in het schokvormingsproces.

"Het doel van de experimenten is om de dynamiek van de Weibel-instabiliteit te onderzoeken, " zei George Swadling, LLNL-fysicus en hoofdauteur op het papier. "Hoewel de effecten van filamentatie waren waargenomen in eerdere experimenten met behulp van protonenradiografie, er waren geen directe metingen gedaan aan de plasmadynamica. Deze directe metingen kunnen worden gebruikt om de theoretische en numerieke modellen zeer direct te benchmarken, die worden gebruikt om de groei en ontwikkeling van deze instabiliteit te begrijpen.

"Deze processen vinden plaats op schalen die te klein zijn om waar te nemen in astrofysische systemen, laboratoriumexperimenten bieden dus de beste gelegenheid om de theoretische modellen te testen, "voegde hij eraan toe. "In dit geval, we waren in staat om het model te beperken dat werd gebruikt om de maximale sterkte van de magnetische velden die door dit proces worden geproduceerd, te voorspellen."

Met behulp van de OMEGA-faciliteit van het laboratorium voor laserenergie van de Universiteit van Rochester, het team verwarmde paren berylliumschijven met een diameter van 1 millimeter met behulp van laserpulsen van 1 nanoseconde. De verwarmde oppervlakken zetten uit, het produceren van plasmastromen met pieksnelheden van 3,3 miljoen mijl per uur. De onderzoekers botsten met de stromen en bestudeerden het gedragsplasma in het botsingscentrum met behulp van de optische Thomson-verstrooiingsdiagnose, die de temperatuur meet, dichtheid en snelheid van de plasmastromen, waardoor ze de vorming van plasmafilamenten als gevolg van de Weibel-instabiliteit direct kunnen observeren en de stroom en het magnetische veld kunnen meten die bij die filamenten horen.

"Er is enorm veel theoretisch en simulatiewerk uitgevoerd om te begrijpen hoe deze instabiliteit zich ontwikkelt en hoe het schokken kan vormen en deeltjes kan versnellen. Het experimentele bewijs om deze theorieën te testen, ontbrak echter, "Zei Swadling. "Onze zeer kwantitatieve gegevens vertegenwoordigen daarom een ​​van de beste mogelijkheden tot nu toe om de theoretische modellen en simulatiecodes te testen die worden gebruikt om deze verschijnselen te voorspellen."

Vooruit kijken, het team zal toepassen wat ze in deze campagne hebben geleerd om het deeltje te benchmarken in celmodellen die worden gebruikt om experimenten te ontwerpen en meer metingen te doen wanneer de instabiliteit verder is ontwikkeld, waardoor ze de overgang van het onstabiele plasma naar de volledig gevormde shocktoestand kunnen observeren.