Het heelal is gevuld met magnetische velden. Begrijpen hoe magnetische velden worden gegenereerd en versterkt in plasma's is essentieel om te bestuderen hoe grote structuren in het universum zijn gevormd en hoe energie door de kosmos is verdeeld.

Een internationale samenwerking, mede geleid door onderzoekers van de Universiteit van Rochester, de Universiteit van Oxford, en de Universiteit van Chicago, experimenten uitgevoerd die voor het eerst in een laboratorium de tijdsgeschiedenis van de groei van magnetische velden door de turbulente dynamo vastlegden, een fysiek mechanisme waarvan gedacht wordt dat het verantwoordelijk is voor het genereren en in stand houden van astrofysische magnetische velden.

De experimenten benaderden omstandigheden die relevant zijn voor de meeste plasma's in het universum en kwantificeerden de snelheid waarmee de turbulente dynamo magnetische velden versterkt, een eigenschap die voorheen alleen werd afgeleid uit theoretische voorspellingen en numerieke simulaties. De snelle versterking die ze vonden, overtreft de theoretische verwachtingen en zou kunnen helpen bij het verklaren van de oorsprong van de huidige grootschalige velden die worden waargenomen in clusters van sterrenstelsels. Hun resultaten werden op 8 maart gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De onderzoekers - onderdeel van het Turbulent Dynamo (TDYNO) -team - voerden hun experimenteel onderzoek uit in de Omega Laser Facility van het University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE), waar ze eerder experimenteel het bestaan ​​van het turbulente dynamomechanisme hadden aangetoond. Die doorbraak leverde het team de 2019 John Dawson Award for Excellence in Plasma Physics Research van de American Physical Society op.

In hun meest recente experimenten in de Omega Laser Facilty, de onderzoekers gebruikten laserstralen waarvan het totale vermogen gelijk is aan dat van 10, 000 kernreactoren. Ze waren in staat om omstandigheden te bereiken die relevant zijn voor de hete, diffuus plasma van het intraclustermedium waarin het turbulente dynamomechanisme zou werken. Het team mat vervolgens als functie van de tijd de magnetische veldversterking die door dit mechanisme wordt geproduceerd.

"Begrijpen hoe en met welke snelheden magnetische velden worden versterkt op macroscopische schalen in astrofysische turbulentie is de sleutel voor het verklaren van de magnetische velden die worden gezien in clusters van sterrenstelsels, de grootste structuren in het heelal, " zegt Archie Bott, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Astrofysische Wetenschappen van Princeton en hoofdauteur van de studie. "Terwijl numerieke modellen en theorie snelle turbulente dynamo-versterking op zeer kleine schaal voorspellen in vergelijking met turbulente bewegingen, het was onzeker gebleven of het mechanisme snel genoeg werkt om dynamisch significante velden op de grootste schalen te verklaren."

De kern van het astrofysische dynamomechanisme is turbulentie. Primordiale magnetische velden worden gegenereerd met een sterkte die aanzienlijk kleiner is dan die welke we tegenwoordig in clusters van sterrenstelsels zien. Stochastische plasmabewegingen, echter, kunnen deze zwakke "zaad"-velden oppikken en hun sterke punten versterken tot aanzienlijk grotere waarden via stretching, draaien en vouwen van het veld. De snelheid waarmee deze versterking plaatsvindt, de "groeisnelheid, " verschilt voor de verschillende ruimtelijke schalen van de turbulente plasmabewegingen:theorie en simulaties voorspellen dat de groeisnelheid groot is op de kleinste lengteschalen, maar veel kleiner op lengteschalen vergelijkbaar met die van de grootste turbulente bewegingen. De TDYNO-experimenten toonden aan dat dit kan niet het geval zijn:turbulente dynamo kan - wanneer hij in een realistisch plasma werkt - grootschalige magnetische velden veel sneller genereren dan momenteel door theoretici wordt verwacht.

"Ons theoretische begrip van de werking van turbulente dynamo is al meer dan een halve eeuw continu gegroeid, " zegt Gianluca Gregori, een professor in de natuurkunde aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford en de experimentele leiding van het project. "Onze recente TDYNO lasergestuurde experimenten waren in staat om voor het eerst te onderzoeken hoe turbulente dynamo evolueert in de tijd, waardoor we de werkelijke groeisnelheid experimenteel kunnen meten."

Deze experimenten maken deel uit van een gezamenlijke inspanning van het TDYNO-team om de belangrijkste vragen te beantwoorden die in de turbulente dynamoliteratuur worden besproken, het opzetten van laboratoriumexperimenten als onderdeel van de studie van turbulente gemagnetiseerde plasma's. De samenwerking heeft een innovatief experimenteel platform gebouwd dat, in combinatie met de kracht van de OMEGA-laser, stelt het team in staat om de verschillende plasmaregimes te onderzoeken die relevant zijn voor verschillende astrofysische systemen. De experimenten zijn ontworpen met behulp van numerieke simulaties uitgevoerd met de FLASH-code, een openbaar beschikbare simulatiecode die lasergestuurde experimenten met laboratoriumplasma's nauwkeurig kan modelleren. FLASH is ontwikkeld door het Flash Center for Computational Science, die onlangs verhuisde van de Universiteit van Chicago naar de Universiteit van Rochester.

"Het vermogen om high-fidelity te doen, voorspellende modellering met FLASH, en de ultramoderne diagnostische mogelijkheden van de Omega Laser Facility aan de LLE, hebben ons team in een unieke positie gebracht om ons begrip van hoe kosmische magnetische velden tot stand komen op beslissende wijze te vergroten, " zegt Petros Tzeferacos, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde aan de Universiteit van Rochester en een senior wetenschapper aan de LLE - de simulatieleider van het project. Tzeferacos is ook directeur van het Flash Center in Rochester.

"Dit werk baant een weg naar laboratoriumonderzoek van een verscheidenheid aan astrofysische processen die worden gemedieerd door gemagnetiseerde turbulentie, " voegt Don Lam eraan toe, de Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus in Astronomy and Astrophysics aan de Universiteit van Chicago en hoofdonderzoeker van het TDYNO National Laser User's Facility (NLUF) project. "Het is echt opwindend om de wetenschappelijke resultaten te zien die de vindingrijkheid van dit team mogelijk maakt."