Un primer plano del objetivo experimental en el Laboratorio de Energética Láser, que consta de dos láminas y un par de rejillas, unidos por escudos cilíndricos. Cada objetivo es del tamaño de un centavo. Los investigadores diseñaron y mecanizaron los objetivos para producir un plasma turbulento en condiciones nunca antes alcanzadas en un entorno de laboratorio. Crédito:Foto de la Universidad de Rochester / Eugene Kowaluk
El universo está lleno de campos magnéticos. Comprender cómo se generan y amplifican los campos magnéticos en los plasmas es esencial para estudiar cómo se formaron las grandes estructuras del universo y cómo se divide la energía en todo el cosmos.
Una colaboración internacional, codirigido por investigadores de la Universidad de Rochester, la Universidad de Oxford, y la Universidad de Chicago, realizaron experimentos que capturaron por primera vez en un laboratorio que establece la historia del tiempo del crecimiento de campos magnéticos por la dinamo turbulenta, un mecanismo físico que se cree que es responsable de generar y mantener campos magnéticos astrofísicos.
Los experimentos accedieron a condiciones relevantes para la mayoría de los plasmas del universo y cuantificaron la velocidad a la que la turbulenta dínamo amplifica los campos magnéticos. una propiedad que anteriormente solo se derivaba de predicciones teóricas y simulaciones numéricas. La rápida amplificación que encontraron supera las expectativas teóricas y podría ayudar a explicar el origen de los campos actuales a gran escala que se observan en los cúmulos de galaxias. Sus resultados fueron publicados el 8 de marzo en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Los investigadores, que forman parte del equipo Turbulent Dynamo (TDYNO), llevaron a cabo su investigación experimental en las instalaciones de láser Omega del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester, donde previamente habían demostrado experimentalmente la existencia del mecanismo de dínamo turbulento. Ese avance le valió al equipo el Premio John Dawson 2019 a la excelencia en la investigación de la física del plasma de la Sociedad Estadounidense de Física.
En sus experimentos más recientes en Omega Laser Facilty, los investigadores utilizaron rayos láser cuya potencia total es equivalente a la de 10, 000 reactores nucleares. Pudieron lograr condiciones relevantes para el calor, Plasma difuso del medio intragrupo en el que se cree que opera el mecanismo de dínamo turbulento. Luego, el equipo midió en función del tiempo la amplificación del campo magnético producida por este mecanismo.
"Comprender cómo y a qué velocidad se amplifican los campos magnéticos a escalas macroscópicas en la turbulencia astrofísica es clave para explicar los campos magnéticos que se ven en los cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del Universo, "dice Archie Bott, investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton y autor principal del estudio. "Si bien los modelos numéricos y la teoría predicen una rápida amplificación de la dínamo turbulenta a escalas muy pequeñas en comparación con los movimientos turbulentos, había permanecido incierto en cuanto a si el mecanismo opera con la suficiente rapidez para dar cuenta de los campos de forma dinámica y significativa en las escalas más grandes ".
En el núcleo del mecanismo de dínamo astrofísico se encuentra la turbulencia. Los campos magnéticos primordiales se generan con fuerzas que son considerablemente más pequeñas que las que se ven hoy en los cúmulos de galaxias. Movimientos estocásticos de plasma, sin embargo, puede recoger estos campos débiles de "semillas" y amplificar sus puntos fuertes a valores significativamente mayores mediante el estiramiento, torsión y plegado del campo. La velocidad a la que ocurre esta amplificación, la "tasa de crecimiento, "difiere para las diferentes escalas espaciales de los movimientos turbulentos del plasma:la teoría y las simulaciones predicen que la tasa de crecimiento es grande en las escalas de longitud más pequeñas, pero mucho más pequeña en escalas de longitud comparables a las de los movimientos turbulentos más grandes. Los experimentos TDYNO demostraron que esto puede No será el caso:la dínamo turbulenta, cuando opera en un plasma realista, puede generar campos magnéticos a gran escala mucho más rápidamente de lo que los teóricos esperan actualmente.
"Nuestra comprensión teórica del funcionamiento de la dínamo turbulenta ha aumentado continuamente durante más de medio siglo, "dice Gianluca Gregori, profesor de física en el Departamento de Física de la Universidad de Oxford y director experimental del proyecto. "Nuestros recientes experimentos TDYNO impulsados por láser pudieron abordar por primera vez cómo la turbulenta dínamo evoluciona con el tiempo, permitiéndonos medir experimentalmente su tasa de crecimiento real ".
Estos experimentos son parte de un esfuerzo concertado del equipo TDYNO para responder preguntas clave que se debaten en la literatura turbulenta sobre dínamo. estableciendo experimentos de laboratorio como un componente en el estudio de plasmas magnetizados turbulentos. La colaboración ha construido una plataforma experimental innovadora que, junto con la potencia del láser OMEGA, permite al equipo sondear los diferentes regímenes de plasma relevantes para varios sistemas astrofísicos. Los experimentos se diseñan mediante simulaciones numéricas realizadas con el código FLASH, un código de simulación disponible públicamente que puede modelar con precisión experimentos de plasmas de laboratorio impulsados por láser. FLASH es desarrollado por el Flash Center for Computational Science, que recientemente se mudó de la Universidad de Chicago a la Universidad de Rochester.
"La capacidad de realizar trabajos de alta fidelidad, modelado predictivo con FLASH, y las capacidades de diagnóstico de vanguardia de la instalación de láser Omega en el LLE, hemos puesto a nuestro equipo en una posición única para avanzar de manera decisiva en nuestra comprensión de cómo se forman los campos magnéticos cósmicos, "dice Petros Tzeferacos, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Rochester y científico senior en LLE, el líder de simulación del proyecto. Tzeferacos también se desempeña como director del Flash Center en Rochester.
"Este trabajo abre un camino hacia las investigaciones de laboratorio de una variedad de procesos astrofísicos mediados por turbulencias magnetizadas, "agrega Don Lamb, el Profesor Emérito de Servicio Distinguido Robert A. Millikan en Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Chicago e investigador principal del proyecto TDYNO National Laser User's Facility (NLUF). "Es realmente emocionante ver los resultados científicos que el ingenio de este equipo está haciendo posible".
