El desarrollo de láseres ultra intensos que ofrecen la misma potencia que toda la red eléctrica de los EE. UU. Ha permitido el estudio de fenómenos cósmicos como las supernovas y los agujeros negros en laboratorios terrestres. Ahora, un nuevo método desarrollado por astrofísicos computacionales de la Universidad de Chicago permite a los científicos analizar una característica clave de estos eventos:sus poderosos y complejos campos magnéticos.

En el campo de la física de densidad de alta energía, o HEDP, Los científicos estudian una amplia gama de objetos astrofísicos:estrellas, agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias y cúmulos de galaxias, con experimentos de laboratorio tan pequeños como un centavo y que duran sólo unas mil millonésimas de segundo. Al enfocar potentes láseres en un objetivo cuidadosamente diseñado, los investigadores pueden producir plasmas que reproduzcan las condiciones observadas por los astrónomos en nuestro sol y galaxias distantes.

La planificación de estos experimentos complejos y costosos requiere a gran escala, simulación por ordenador de alta fidelidad de antemano. Desde 2012, el Flash Center for Computational Science del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la UChicago ha proporcionado el código informático abierto líder, llamado FLASH, para estas simulaciones HEDP, permitiendo a los investigadores afinar experimentos y desarrollar métodos de análisis antes de la ejecución en sitios como la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore o la Instalación Láser OMEGA en Rochester, NUEVA YORK.

"Tan pronto como FLASH esté disponible, hubo una especie de estampida para usarlo para diseñar experimentos, "dijo Petros Tzeferacos, profesor asistente de investigación de astronomía y astrofísica y director asociado del Flash Center.

Durante estos experimentos, Los rayos de la sonda láser pueden proporcionar a los investigadores información sobre la densidad y temperatura del plasma. Pero una medida clave, el campo magnético, ha permanecido esquivo. Para intentar extraer las mediciones del campo magnético de condiciones extremas de plasma, Los científicos del MIT desarrollaron una técnica de diagnóstico experimental que utiliza partículas cargadas en su lugar, llamada radiografía de protones.

En un nuevo artículo para la revista Revisión de instrumentos científicos , Los científicos del Flash Center Carlo Graziani, Donald Lamb y Tzeferacos, con Chikang Li del MIT, describir un nuevo método para adquirir cuantitativos, información de alta resolución sobre estos campos magnéticos. Su descubrimiento, refinado utilizando simulaciones FLASH y resultados experimentales reales, abre nuevas puertas para la comprensión de los fenómenos cósmicos.

"Elegimos ir tras experimentos motivados por la astrofísica donde los campos magnéticos eran importantes, "dijo Lamb, el Profesor Emérito de Servicio Distinguido Robert A. Millikan en Astronomía y Astrofísica y director del Centro Flash. "La creación del código más la necesidad de tratar de averiguar cómo entender qué campos magnéticos se crean nos llevó a construir este software, que puede por primera vez reconstruir cuantitativamente la forma y la fuerza del campo magnético ".

Experimentos vertiginosos

En radiografía de protones, se disparan protones energéticos a través del plasma magnetizado hacia un detector en el otro lado. A medida que los protones atraviesan el campo magnético, se desvían de su camino, formando un patrón complejo en el detector. Estos patrones fueron difíciles de interpretar, y los métodos anteriores solo podían hacer declaraciones generales sobre las propiedades del campo.

"Los campos magnéticos juegan un papel importante en casi todos los fenómenos astrofísicos. Si no puedes ver realmente lo que está sucediendo, o estudiarlos, te falta una parte clave de casi todos los objetos o procesos astrofísicos que te interesan, "dijo Tzeferacos.

Al realizar experimentos simulados con campos magnéticos conocidos, el equipo de Flash Center construyó un algoritmo que puede reconstruir el campo a partir del patrón de radiografía de protones. Una vez calibrado computacionalmente, el método se aplicó a datos experimentales recopilados en instalaciones láser, revelando nuevos conocimientos sobre eventos astrofísicos.

La combinación del código FLASH, el desarrollo del diagnóstico de radiografía de protones, y la capacidad de reconstruir campos magnéticos a partir de datos experimentales, están revolucionando la astrofísica de plasma de laboratorio y HEDP. "La disponibilidad de estas herramientas ha provocado que la cantidad de experimentos HEDP que estudian campos magnéticos se disparen, "dijo Lamb.

El nuevo software para la reconstrucción de campos magnéticos, llamado PRaLine, se compartirá con la comunidad como parte del próximo lanzamiento del código FLASH y como un componente separado disponible en GitHub. Lamb y Tzeferacos dijeron que esperan que se use para estudiar muchos temas de astrofísica, como la aniquilación de campos magnéticos en la corona solar; chorros astrofísicos producidos por objetos estelares jóvenes, el pulsar de la Nebulosa del Cangrejo, y los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias; y la amplificación de los campos magnéticos y la aceleración de los rayos cósmicos por choques en los remanentes de supernovas.

"Los tipos de experimentos que realizan los científicos de HEDP ahora son muy diversos, ", dijo Tzeferacos." FLASH contribuyó a esta diversidad, porque te permite pensar fuera de la caja, probar diferentes simulaciones de diferentes configuraciones, y vea qué condiciones plasmáticas puede lograr ".

El papel, "Inferir la morfología y la fuerza de los campos magnéticos a partir de radiografías de protones, "fue publicado en línea por Revisión de instrumentos científicos .