Niezależnie od tego, czy pomiędzy galaktykami, czy w urządzeniach fuzyjnych w kształcie pączka, znanych jako tokamaki, elektrycznie naładowany czwarty stan materii, znany jako plazma, regularnie napotyka silne pola magnetyczne, zmieniając kształt i kołysząc się w przestrzeni. Teraz nowa technika pomiarowa wykorzystująca protony, cząstki subatomowe, które tworzą jądra atomów, po raz pierwszy uchwyciła szczegóły tego kołyszącego się ruchu, potencjalnie dostarczając wglądu w powstawanie ogromnych strumieni plazmy, które rozciągają się między gwiazdami.
Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) w Departamencie Energii USA (DOE) stworzyli szczegółowe obrazy pola magnetycznego wyginającego się na zewnątrz z powodu ciśnienia wytwarzanego przez rozszerzającą się plazmę. Gdy plazma naciskała na pole magnetyczne, na granicach pojawiały się pęcherzyki i pienienie, znane jako niestabilności magneto-Rayleigha Taylora, tworząc struktury przypominające kolumny i grzyby.
Następnie, gdy energia plazmy zmniejszyła się, linie pola magnetycznego powróciły do swoich pierwotnych pozycji. W rezultacie plazma została ściśnięta do prostej struktury przypominającej strumienie plazmy, które mogą wypływać z ultragęstych martwych gwiazd znanych jako czarne dziury i rozciągać się na odległości wielokrotności rozmiarów galaktyki. Wyniki sugerują, że te strumienie, których przyczyny pozostają tajemnicą, mogły powstać w wyniku tych samych ściskających pól magnetycznych zaobserwowanych w tym badaniu.
„Kiedy przeprowadziliśmy eksperyment i przeanalizowaliśmy dane, odkryliśmy, że mamy coś wielkiego” — powiedziała Sophia Malko, fizyk badawczy PPPL i główny naukowiec w artykule. „Od dawna uważano, że obserwowanie niestabilności magneto-Rayleigha Taylora wynikających z interakcji plazmy i pól magnetycznych występuje, ale nigdy nie zostało bezpośrednio zaobserwowane aż do teraz. Ta obserwacja pomaga potwierdzić, że ta niestabilność występuje, gdy rozszerzająca się plazma spotyka się z polami magnetycznymi. Nie wiedzieliśmy, że nasza diagnostyka będzie miała taką precyzję. Cały nasz zespół jest zachwycony!”
„Te eksperymenty pokazują, że pola magnetyczne są bardzo ważne dla formowania się strumieni plazmy” — powiedział Will Fox, fizyk badawczy PPPL i główny badacz badań opisanych w Physical Review Research. „Teraz, gdy możemy mieć wgląd w to, co generuje te strumienie, moglibyśmy teoretycznie badać gigantyczne strumienie astrofizyczne i dowiedzieć się czegoś o czarnych dziurach”.
PPPL ma światowej sławy doświadczenie w rozwijaniu i budowaniu diagnostyki, czujników mierzących właściwości takie jak gęstość i temperatura w plazmie w różnych warunkach. To osiągnięcie jest jednym z kilku w ostatnich latach, które ilustruje, w jaki sposób Lab rozwija innowacje pomiarowe w fizyce plazmy.
Wykorzystując nową technikę, uzyskujemy niespotykane dotąd szczegóły
Zespół udoskonalił technikę pomiaru znaną jako radiografia protonowa, tworząc nową odmianę tego eksperymentu, która umożliwiłaby niezwykle precyzyjne pomiary. Aby stworzyć plazmę, zespół skierował potężny laser na mały dysk z tworzywa sztucznego. Aby wytworzyć protony, skierowali 20 laserów na kapsułę zawierającą paliwo wykonane z różnych atomów wodoru i helu. Gdy paliwo się nagrzewało, zachodziły reakcje fuzji, które wytworzyły wybuch zarówno protonów, jak i intensywnego światła znanego jako promienie X.
Zespół zainstalował również arkusz siatki z małymi otworami w pobliżu kapsuły. Gdy protony przepływały przez siatkę, wypływ był rozdzielany na małe, oddzielne wiązki, które były wyginane z powodu otaczających pól magnetycznych. Porównując zniekształcony obraz siatki z niezniekształconym obrazem uzyskanym za pomocą promieni rentgenowskich, zespół mógł zrozumieć, w jaki sposób pola magnetyczne były popychane przez rozszerzającą się plazmę, co prowadziło do niestabilności wirowych na krawędziach.
„Nasz eksperyment był wyjątkowy, ponieważ mogliśmy bezpośrednio zobaczyć, jak pole magnetyczne zmienia się w czasie” – powiedział Fox. „Mogliśmy bezpośrednio zaobserwować, jak pole jest wypychane i reaguje na plazmę w rodzaju przeciągania liny”.
Dywersyfikacja portfolio badawczego
Wyniki pokazują, w jaki sposób PPPL rozszerza swoje zainteresowania, aby objąć badania skoncentrowane na plazmie o wysokiej gęstości energii (HED). Takie plazmy, jak ta stworzona w kapsule paliwowej tego eksperymentu, są gorętsze i gęstsze niż te używane w eksperymentach fuzyjnych. „Plazma HED to ekscytujący obszar wzrostu dla fizyki plazmy” — powiedział Fox. „Ta praca jest częścią wysiłków PPPL na rzecz rozwoju tej dziedziny. Wyniki pokazują, w jaki sposób laboratorium może tworzyć zaawansowaną diagnostykę, aby dać nam nowe spojrzenie na ten typ plazmy, która może być stosowana w urządzeniach do fuzji laserowej, a także w technikach wykorzystujących plazmę HED do tworzenia promieniowania do produkcji mikroelektroniki”.
„PPPL ma ogromną wiedzę i doświadczenie w zakresie namagnesowanych plazm, które mogą przyczynić się do rozwoju dziedziny plazm HED wytwarzanych laserowo i pomóc wnieść znaczący wkład” — powiedział Fox.
„Nauka HED jest złożona, fascynująca i kluczowa dla zrozumienia szerokiego zakresu zjawisk” — powiedziała Laura Berzak Hopkins, zastępca dyrektora laboratorium PPPL ds. strategii i partnerstw oraz zastępca dyrektora ds. badań. „Niesamowicie trudno jest zarówno wygenerować te warunki w sposób kontrolowany, jak i opracować zaawansowaną diagnostykę do precyzyjnych pomiarów. Te ekscytujące wyniki pokazują wpływ integracji szerokiej wiedzy technicznej PPPL z innowacyjnymi podejściami”.
Więcej eksperymentów i lepszych symulacji
Naukowcy planują pracę nad przyszłymi eksperymentami, które pomogą udoskonalić modele rozszerzającej się plazmy. „Naukowcy zakładali, że w takich sytuacjach gęstość i magnetyzm zmieniają się bezpośrednio, ale okazuje się, że to nieprawda” — powiedział Malko.
„Teraz, gdy zmierzyliśmy te niestabilności bardzo dokładnie, mamy informacje, których potrzebujemy, aby udoskonalić nasze modele i potencjalnie symulować i rozumieć strumienie astrofizyczne w większym stopniu niż wcześniej” — powiedział Malko. „To ciekawe, że ludzie mogą stworzyć coś w laboratorium, co zwykle istnieje w kosmosie”.
Współpracownicy to badacze z University of California-Los Angeles, Sorbonne University, Princeton University i University of Michigan. Badania zostały sfinansowane przez program Laboratory-Directed Research and Development DOE na podstawie umowy nr DE-AC02-09CH11466. Eksperyment przeprowadzono przy użyciu Omega Laser Facility University of Rochester na podstawie umowy nr DE-NA0003856 DOE/National Nuclear Security Administration.