El universo es muy magnético, con todo, desde estrellas hasta planetas y galaxias, produciendo sus propios campos magnéticos. Los astrofísicos llevan mucho tiempo desconcertados por estos campos sorprendentemente fuertes y de larga vida, con teorías y simulaciones buscando un mecanismo que explique su generación.

Usando una de las instalaciones láser más poderosas del mundo, un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Chicago confirmó experimentalmente una de las teorías más populares para la generación de campos magnéticos cósmicos:la dínamo turbulenta. Al crear un plasma turbulento caliente del tamaño de un centavo, que dura unas mil millonésimas de segundo, los investigadores registraron cómo los movimientos turbulentos pueden amplificar un campo magnético débil a la fuerza de los observados en nuestro sol, estrellas distantes, y galaxias.

El papel, publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , es la primera demostración de laboratorio de una teoría, explicando el campo magnético de numerosos cuerpos cósmicos, debatido por los físicos durante casi un siglo. Usando el código de simulación de física FLASH, desarrollado por el Flash Center for Computational Science en UChicago, los investigadores diseñaron un experimento realizado en la instalación láser OMEGA en Rochester, NY para recrear condiciones turbulentas de dinamo.

Confirmando décadas de simulaciones numéricas, el experimento reveló que el plasma turbulento podría impulsar dramáticamente un campo magnético débil hasta la magnitud observada por los astrónomos en estrellas y galaxias.

"Ahora sabemos con certeza que existe un dínamo turbulento, y que es uno de los mecanismos que realmente puede explicar la magnetización del universo, "dijo Petros Tzeferacos, profesor asistente de investigación de astronomía y astrofísica y director asociado del Flash Center. "Esto es algo que esperábamos saber, pero ahora lo hacemos ".

Una dínamo mecánica produce una corriente eléctrica mediante la rotación de bobinas a través de un campo magnético. En astrofísica, La teoría de la dínamo propone lo contrario:el movimiento del fluido conductor eléctrico crea y mantiene un campo magnético. A principios del siglo XX, El físico Joseph Larmor propuso que tal mecanismo podría explicar el magnetismo de la Tierra y el Sol, inspirando décadas de debate e investigación científicos.

Si bien las simulaciones numéricas demostraron que el plasma turbulento puede generar campos magnéticos a la escala de los observados en las estrellas, planetas y galaxias, crear una dinamo turbulenta en el laboratorio era mucho más difícil. Confirmar la teoría requiere producir plasma a una temperatura y volatilidad extremadamente altas para producir la turbulencia suficiente para plegar, Estirar y amplificar el campo magnético.

Para diseñar un experimento que cree esas condiciones, Tzeferacos y sus colegas de UChicago y la Universidad de Oxford ejecutaron cientos de simulaciones bidimensionales y tridimensionales con FLASH en la supercomputadora Mira del Laboratorio Nacional Argonne. La configuración final implicó disparar dos trozos de papel de aluminio del tamaño de un centavo con potentes láseres, propulsando dos chorros de plasma a través de rejillas y colisionando entre sí, creando un movimiento fluido turbulento.

"La gente ha soñado con hacer este experimento con láseres durante mucho tiempo, pero realmente se necesitó el ingenio de este equipo para que esto sucediera, "dijo Donald Lamb, el Profesor Emérito de Servicio Distinguido Robert A. Millikan en Astronomía y Astrofísica y director del Centro Flash. "Este es un gran avance".

El equipo también utilizó simulaciones FLASH para desarrollar dos métodos independientes para medir el campo magnético producido por el plasma:radiografía de protones, el tema de un artículo reciente del grupo FLASH, y luz polarizada, basado en cómo los astrónomos miden los campos magnéticos de objetos distantes. Ambas mediciones rastrearon el crecimiento en meros nanosegundos del campo magnético desde su estado inicial débil a más de 100 kiloGauss, más fuerte que un escáner de resonancia magnética de alta resolución y un millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

"Este trabajo abre la oportunidad de verificar experimentalmente ideas y conceptos sobre el origen de los campos magnéticos en el universo que se han propuesto y estudiado teóricamente durante la mayor parte de un siglo, "dijo Fausto Cattaneo, Profesor de Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Chicago y coautor del artículo.

Ahora que se puede crear una dínamo turbulenta en un laboratorio, los científicos pueden explorar preguntas más profundas sobre su función:¿con qué rapidez aumenta la fuerza del campo magnético? ¿Qué tan fuerte puede volverse el campo? ¿Cómo altera el campo magnético la turbulencia que lo amplificó?

"Una cosa es tener teorías bien desarrolladas, pero otra cosa es demostrarlo realmente en un entorno de laboratorio controlado donde puede realizar todo este tipo de mediciones sobre lo que está sucediendo, ", Dijo Lamb." Ahora que podemos hacerlo, podemos pincharlo y probarlo ".