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激光实验验证“湍流发电机”理论

发布日期:2018-05-15

实验平台的三维FLASH模拟,在Mira超级计算机上进行。所示出的是模拟磁场在流碰撞之前的效果图。致谢计算科学Flash中心

宇宙是高度磁性的,从恒星到行星到银河系产生他们自己的磁场。天体物理学家一直困惑于这些令人惊讶的强大和长寿命的领域,理论和模拟寻求解释他们这一代的机制。

使用世界上最强大的激光设备之一,芝加哥大学科学家领导的一个研究小组实验证实了宇宙磁场生成最流行的理论之一:湍流发电机。研究人员通过创建一个大小等于十亿分之一秒的热湍流等离子体,记录了湍流运动如何能够将弱磁场放大到在我们的太阳,遥远恒星和星系中观察到的强度。

本周发表在“自然通讯”上的这篇论文是第一次对理论进行实验室论证,解释了许多宇宙物体的磁场,并由物理学家们争论了近一个世纪。研究人员使用由UChicago的Flash Center for Computational Science开发的FLASH物理模拟代码,设计了一项在纽约州罗彻斯特的OMEGA激光设备上进行的实验,以再现湍流发电机条件。

确认数十年的数值模拟实验表明,湍流等离子体可以极大地提升弱磁场,达到天文学家在恒星和星系观测到的数量级。

“我们现在知道,动荡的发电机是存在的,而且它是真正解释宇宙磁化的机制之一,”天文学和天体物理学研究助理教授,闪光中心副主任Petros Tzeferacos说。 “这是我们希望我们知道的事情,但现在我们做到了。”

机械发电机通过磁场旋转线圈产生电流。在天体物理学中,发电机理论提出了相反的观点:导电流体的运动产生并维持磁场。在20世纪初,物理学家约瑟夫拉莫尔提出这样的机制可以解释地球和太阳的磁性,激发数十年来的科学讨论和探究。

虽然数值模拟表明,湍流等离子体可以在恒星,行星和星系观察到的尺度上产生磁场,但在实验室中形成动荡的发电机则要困难得多。确认该理论需要在极高的温度和波动下产生等离子体以产生足够的湍流以折叠,拉伸和放大磁场。

为了设计一个创造这些条件的实验,UChicago和牛津大学的Tzeferacos及其同事在阿贡国家实验室的Mira超级计算机上用FLASH进行了数百个二维和三维模拟。最后的设置包括用强大的激光器爆破两个小尺寸的箔片,推动两个等离子射流通过网格并相互碰撞,产生湍流流体运动。

“人们梦想着用激光做这个实验很长一段时间,但是真正需要这个团队的聪明才智才能做到这一点,”Robert A.Milikan杰出服务天文学和天体物理学名誉教授, Flash中心。 “这是一个巨大的突破。”

该团队还利用FLASH模拟开发了两种独立的方法,用于测量由等离子体产生的磁场:质子放射线摄影术,FLASH组最近一篇论文的主题,以及偏振光,其基础是天文学家如何测量远处物体的磁场。这两项测量结果都表明,磁场从微弱的初始状态到超过100千高斯仅仅是纳秒级的增长 - 高于高分辨率的磁共振成像扫描仪,比地球磁场强100万倍。

“这项工作为验证宇宙中磁场起源的实验性理念和概念提供了机会,这些理论和概念已经在理论上提出并在一个世纪的较好的一段时间内进行了研究,”大学天文和天体物理学教授Fausto Cattaneo说道。芝加哥和这篇论文的合着者。

现在,在实验室中可以创建一个动荡的发电机,科学家们可以探索更多关于其功能的问题:磁场强度有多快?该领域有多强大?磁场如何改变放大它的湍流?

“有完善的理论是一回事,但在受控的实验室环境中真正展现它是另一回事,你可以对这些理论进行所有这些测量,”兰姆说。 “现在我们可以做到,我们可以戳它并探测它。”

出版物:P.Tzeferacos等人,“湍流等离子体中磁场的发电机放大的实验室证据”Nature Communications第9卷,货号:591(2018)doi:10.1038 / s41467-018-02953-2

Source:Rob Mitchum,芝加哥大学