El universo es altamente magnético, con todo, desde estrellas hasta planetas y galaxias que producen sus propios campos magnéticos. Los astrofísicos han desconcertado durante mucho tiempo estos campos sorprendentemente fuertes y de larga duración, con teorías y simulaciones que buscan un mecanismo que explique su generación.
Utilizando una de las instalaciones láser más potentes del mundo, un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Chicago confirmó experimentalmente una de las teorías más populares para la generación de campos magnéticos cósmicos: la dinamo turbulenta. Al crear un plasma turbulento caliente del tamaño de un centavo,que dura unas pocas billonésimas de segundo, los investigadores registraron cómo los movimientos turbulentos pueden amplificar un campo magnético débil a las fuerzas de los observados en nuestro sol, estrellas distantes y galaxias.
El periódico, publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza , es la primera demostración de laboratorio de una teoría, que explica el campo magnético de numerosos cuerpos cósmicos, debatida por los físicos durante casi un siglo. Utilizando el código de simulación física FLASH, desarrollado por el Centro Flash para Ciencias Computacionales en UChicago, diseñaron los investigadoresun experimento realizado en la instalación láser OMEGA en Rochester, Nueva York, para recrear condiciones de dinamo turbulentas.
Confirmando décadas de simulaciones numéricas, el experimento reveló que el plasma turbulento podría aumentar drásticamente un campo magnético débil hasta la magnitud observada por los astrónomos en estrellas y galaxias.
"Ahora sabemos con certeza que existe una dinamo turbulenta, y que es uno de los mecanismos que realmente pueden explicar la magnetización del universo", dijo Petros Tzeferacos, profesor asistente de investigación de astronomía y astrofísica y director asociado del Centro Flash ".Esto es algo que esperábamos saber, pero ahora lo sabemos ".
Una dinamo mecánica produce una corriente eléctrica al girar las bobinas a través de un campo magnético. En astrofísica, la teoría de la dinamo propone lo contrario: el movimiento del fluido conductor de la electricidad crea y mantiene un campo magnético. A principios del siglo XX, el físico Joseph Larmor propusoque dicho mecanismo podría explicar el magnetismo de la Tierra y el Sol, inspirando décadas de debate e investigación científica.
Si bien las simulaciones numéricas demostraron que el plasma turbulento puede generar campos magnéticos a la escala de los observados en estrellas, planetas y galaxias, crear una dinamo turbulenta en el laboratorio fue mucho más difícil. Confirmar la teoría requiere producir plasma a temperaturas extremadamente altas yvolatilidad para producir la turbulencia suficiente para plegar, estirar y amplificar el campo magnético.
Para diseñar un experimento que cree esas condiciones, Tzeferacos y sus colegas de UChicago y la Universidad de Oxford realizaron cientos de simulaciones bidimensionales y tridimensionales con FLASH en la supercomputadora Mira en el Laboratorio Nacional Argonne. La configuración final implicó la explosión de dos centavos.trozos de papel de tamaño con potentes láseres, impulsando dos chorros de plasma a través de las rejillas y colisionando entre sí, creando un movimiento de fluido turbulento.
"La gente ha soñado con hacer este experimento con láser durante mucho tiempo, pero realmente se necesitó el ingenio de este equipo para que esto sucediera", dijo Donald Lamb, el Profesor Emérito de Servicio Distinguido Robert A. Millikan en Astronomía y Astrofísica ydirector del Centro Flash. "Este es un gran avance".
El equipo también usó simulaciones FLASH para desarrollar dos métodos independientes para medir el campo magnético producido por el plasma: radiografía de protones, tema de un artículo reciente del grupo FLASH, y luz polarizada, en función de cómo los astrónomos miden los campos magnéticos deobjetos distantes. Ambas mediciones rastrearon el crecimiento en meros nanosegundos del campo magnético desde su estado inicial débil hasta más de 100 kiloGauss, más fuerte que un escáner de resonancia magnética de alta resolución y un millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.
"Este trabajo abre la oportunidad de verificar experimentalmente ideas y conceptos sobre el origen de los campos magnéticos en el universo que se han propuesto y estudiado teóricamente durante la mayor parte de un siglo", dijo Fausto Cattaneo, profesor de Astronomía y Astrofísica enUniversidad de Chicago y coautor del artículo.
Ahora que se puede crear una dinamo turbulenta en un laboratorio, los científicos pueden explorar preguntas más profundas sobre su función: ¿qué tan rápido aumenta la fuerza el campo magnético? ¿Qué tan fuerte puede volverse el campo? ¿Cómo altera el campo magnético la turbulencia que se amplificó?¿eso?
"Una cosa es tener teorías bien desarrolladas, pero otra cosa es demostrarlo realmente en un entorno de laboratorio controlado donde puedes hacer todo este tipo de mediciones sobre lo que está sucediendo", dijo Lamb. "Ahora que podemos hacerlopodemos pincharlo y probarlo "
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Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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