Механизм космических магнитных полей исследуется в лаборатории

Наука

Плазма — это вещество, настолько горячее, что электроны отделяются от атомов. Электроны свободно плавают, а атомы становятся ионами. Это создает ионизированный газ — плазму, из которой состоит почти вся видимая Вселенная. Недавние исследования показывают, что магнитные поля могут спонтанно возникать в плазме. Это может произойти, если плазма имеет температурную анизотропию — температуру, различную в разных пространственных направлениях. Этот механизм известен как неустойчивость Вейбеля. Это было предсказано теоретиком плазмы Эриком Вейбелем более шести десятилетий назад, но только сейчас однозначно наблюдалось в лаборатории. Новое исследование показало, что этот процесс может преобразовывать значительную часть энергии, хранящейся в температурной анизотропии, в энергию магнитного поля. Также установлено, что неустойчивость Вейбеля может быть источником магнитных полей, проникающих во все космос.

Влияние

Вещество в нашей наблюдаемой Вселенной находится в плазменном состоянии и намагничено. Магнитные поля на уровне микрогаусс (около миллионной части магнитных полей Земли) пронизывают галактики. Считается, что эти магнитные поля усиливаются слабыми затравочными полями за счет спирального движения галактик, известного как галактическое динамо. Как создаются исходные магнитные поля, это давний вопрос в астрофизике. Эта новая работа предлагает возможное решение этой неприятной проблемы происхождения затравочных магнитных полей микрогауссового уровня. В исследовании использовалась новая платформа, которая имеет большой потенциал для изучения сверхбыстрый динамики магнитных полей в лабораторной плазме, имеющих отношение к астро- и высокая плотность энергии физика.

Резюме

Впервые теоретизированная шесть десятилетий назад, неустойчивость Вейбеля, вызванная температурной анизотропией, считается важным механизмом самонамагничивания многих лабораторных и астрофизических плазм. Однако ученые столкнулись с двумя проблемами при однозначной демонстрации неустойчивости Вейбеля. Во-первых, до недавнего времени исследователи не могли генерировать плазму с известной температурной анизотропией, как первоначально предполагал Вейбель. Во-вторых, у исследователей не было подходящей техники для измерения сложной и быстро развивающейся топологии магнитных полей, впоследствии генерируемых в плазме.

Эта работа, обеспечиваемая уникальным способность из Ускорительный испытательный комплекс, пользовательский центр Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории, использовал новую экспериментальную платформу, которая позволила исследователям создать водородную плазму с известным сильно анизотропным распределением скоростей электронов в масштабе времени в десятки триллионных долей секунды с помощью сверхкороткого но интенсивный лазерный импульс углекислого газа. Последующая термализация плазмы происходит за счет самоорганизации плазменных токов, создающих магнитные поля, обусловленные неустойчивостью Вейбеля. Эти поля достаточно велики, чтобы отклонить релятивистские электроны и показать изображение магнитных полей на определенном расстоянии от плазмы. Исследователи получили фильм об эволюции этих магнитных полей с превосходным пространственно-временным разрешением, используя релятивистский электронный пучок в течение одной пикосекунды для исследования этих полей.

Финансирование

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики (DOE), Национальным научным фондом и Программой стипендий для выпускников NSF. Испытательный центр ускорителя поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Работа главного исследователя в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе поддерживается Национальным научным фондом (NSF), программой Министерства энергетики США по физике высоких энергий и программой стипендий для выпускников NSF.