En un artículo publicado recientemente por Cartas de revisión física , un equipo de investigadores que incluye científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) detalla las primeras mediciones cuantitativas de la estructura del campo magnético de la filamentación del plasma impulsada por la inestabilidad de Weibel, utilizando una novedosa técnica de dispersión óptica de Thompson.

Estos experimentos estudian los procesos responsables de la formación de choques sin colisión, fenómenos que se observan en entornos astrofísicos, como la expansión de explosiones de supernovas en el medio interestelar. Las partículas de estas explosiones y el medio interestelar tienen una densidad muy baja y podrían viajar años luz sin chocar.

Sin embargo, el plasma es capaz de autogenerar fuertes campos eléctricos y magnéticos. A medida que las corrientes de plasma se atraviesan, se vuelven susceptibles a la inestabilidad de Weibel, una inestabilidad del plasma presente en algunos plasmas electromagnéticos, lo que hace que los dos flujos que se interpenetran se "filmen" y se agrupen en corrientes separadas. Los campos magnéticos envuelven estos flujos filamentados, aumentando el grado de filamentación.

El plasma amplifica estos campos magnéticos hasta que se vuelven lo suficientemente fuertes como para dar la vuelta a las partículas por completo. En ese punto, el flujo se detiene y se forma el choque sin colisión. Los poderosos campos magnéticos asociados con el impacto tienen otro efecto:su movimiento turbulento en el plasma acelera las partículas cargadas a alta energía, produciendo rayos cósmicos que se pueden observar en la Tierra. La inestabilidad de Weibel es el elemento más crítico en el proceso de formación del choque.

"El objetivo de los experimentos es investigar la dinámica de la inestabilidad de Weibel, "dijo George Swadling, Físico del LLNL y autor principal del artículo. "Si bien los efectos de la filamentación se habían observado en experimentos anteriores utilizando radiografía de protones, no se habían realizado mediciones directas de la dinámica del plasma. Estas mediciones directas se pueden utilizar para comparar directamente los modelos teóricos y numéricos, que se utilizan para comprender el crecimiento y desarrollo de esta inestabilidad.

"Estos procesos ocurren a escalas que son demasiado pequeñas para ser observadas en sistemas astrofísicos, por lo que los experimentos de laboratorio brindan la mejor oportunidad para poder probar los modelos teóricos, ", agregó." En este caso, pudimos restringir el modelo utilizado para predecir la fuerza máxima de los campos magnéticos producidos por este proceso ".

Usando las instalaciones de OMEGA en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, El equipo calentó pares de discos de berilio de 1 milímetro de diámetro utilizando pulsos de láser de 1 nanosegundo. Las superficies calentadas se expandieron, produciendo flujos de plasma con velocidades máximas de 3.3 millones de millas por hora. Los investigadores colisionaron los flujos y estudiaron el comportamiento del plasma en el centro de colisión utilizando el diagnóstico óptico de dispersión de Thomson. que mide la temperatura, densidad y velocidad de las corrientes de plasma, permitiéndoles observar directamente la formación de filamentos de plasma debido a la inestabilidad de Weibel y medir la corriente y el campo magnético asociado con esos filamentos.

"Se ha llevado a cabo una enorme cantidad de trabajo teórico y de simulación para comprender cómo se desarrolla esta inestabilidad y cómo puede formar choques y acelerar partículas. Sin embargo, la evidencia experimental para probar estas teorías ha sido escasa, Swadling dijo:"Nuestros datos altamente cuantitativos, por lo tanto, representan una de las mejores oportunidades hasta ahora para probar los modelos teóricos y los códigos de simulación utilizados para predecir estos fenómenos".

Mirando hacia el futuro, el equipo aplicará lo que aprendieron en esta campaña para comparar la partícula en los modelos celulares utilizados para diseñar experimentos y realizar más mediciones cuando la inestabilidad se haya desarrollado aún más, permitiéndoles observar la transición del plasma inestable al estado de choque completamente formado.